안녕하십니까
전력전자와 각종MCU를 공부하고 최종적으로 작품을 만드는 전자 장인 입니다
오늘의 주제는
반도체의 드리프트(Drift)와 확산(Diffusion), PN접합!
이번 시간에는 반도체의 Drift와 diffusion 그리고 PN 접합에 대하여 공부하는 시간을 가지겠습니다.
반도체 내부에 흐르는 전류는
상반된 방향으로 흐르는 정공과 전자들의 순수 합으로 나타낼 수 있습니다.
반도체 내 전류의 흐름을 발생시키는 자유 전하를 캐리어라고 공부하였습니다.
캐리어의 용어를 사용하면 반도체 내부 캐리어의 움직임을 Drift와 diffusion으로 설명할 수 있습니다.
1. Drift
반도체 외부에 전기장을 인가하게 되면
정공은 전기장 방향으로, 전자는 반대 방향으로 가속하게 됩니다.
Drift velocity에 대하여 전기장에 의해 전하들이 얻는 속도를 나타낼 수 있으며, 전기장 세기에 비례하게 됩니다.
또한 Drift 전류 밀도는 아래 수식과 같이 나타낼 수 있습니다
여기서 E는 전기장 세기, μn,p는 전하 이동도, q는 전자 전하량을 나타내며
μn,p는 온도 증가 시 감소하게 됩니다.
2. Diffusion (확산)
Diffusion은 자유 공간 내 전하 밀도 차가 발생하게 되면
고밀도 영역에서 저밀도 영역으로 전하가 이동하는 것을말합니다.
Diffusion(확산) 전류 밀도는 아래 수식과 같이 나타낼 수 있습니다.
왼쪽 그림은 전자의 농도를 나타내는 것으로 농도가 낮은 아래쪽으로 전자가 이동하는 것을 나타냅니다.
또한 오른쪽 그림도 마찬가지로 농도가 낮은 곳으로 정공이 이동하는 것을 나타냅니다.
3. PN 접합
PN junction은 N-type 반도체와 P-type 반도체가 인접할 때 형성됩니다.
N-type 영역에 확산된 acceptor 혹은 P-type 영역에 확산된 donor로 형성됩니다.
PN 접합은 두 가지 유형으로 나뉩니다.
1. Abrupt junction (Step junction)
접합면 기준으로 정공, 전자 밀도가 급변하는 유형으로 아래 그림과 같습니다.
2. Linearly graded junction
정공 및 전자 밀도가 선형적으로 변화하는 유형으로 아래 그림과 같습니다.
3. Depletion layer (결핍층)
P-type 반도체와 N-type 반도체를 결합하면 접합면 양쪽의 다수 캐리어 중 일부가 확산하게 됩니다.
따라서 전자는 p-type으로 정공은 N-type반도체로 이동하게 됩니다.
이러한 과정 속에서 접합면 dopant들의 이온화가 발생하게 되고
자유전자가 존재하지 않는 영역인 Depletion layer (결핍층) 발생합니다.
4. forward (순방향) 및 reverse (역방향) bias
순방향 바이어스는 PN 접합에 동일한 극성으로 외부 전원을 인가해 주면 나타나는 특성입니다.
외부 전압 인가 시 결핍층에 외부 전압이 나타나게 되며,
이러한 이유는 결핍층 저항이 커지게 되어 외부 전압이 나타나는 결과가 발생합니다.
P-type 반도체의 전위 > 0 이면 인가 전위와 결핍층 내부 전위가 반대 방향이게 되고
결핍층 퍼텐셜 장벽이 감소하여 결핍층 너비가 감소하게 됩니다.
따라서 순방향 바이어스를 인가하게 되면 결핍층이 감소하여 전류가 흐를 수 있게 됩니다.
역방향 바이어스는 PN 접합에 반대 방향으로 전압을 인가해 주면 나타나는 특성입니다.
N-type 반도체의 전위 > 0 이면 인가한 전위와 결핍층 내부 전위의 방향이 동일하게 되어
결핍층 퍼텐셜 장벽이 증가하여 결핍층 너비가 증가하게 됩니다.
따라서 역방향 바이어스를 인가하게 되면 결핍층이 증가하여 전류를 차단하게 됩니다.
이렇게 바이어스에 따른 결핍층 너비는 W로 표현하며
외부 전압에 의한 퍼텐셜의 변화가 접합면 총전하량의 변화로 이어지게 됩니다.
이러한 특징으로 전하 밀도 = dopant 밀도 가 되며 결핍층 크기 변화 = 전하량 변화로 말할 수 있습니다.
따라서 외부 전압에 따라 결핍층 너비를 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다.
오늘은 반도체 특성과 PN 접합에 대하여 공부하는 시간을 가졌습니다.
앞으로 오랫동안 반도체 물성에 대하여 다루기 때문에 반도체 용어를 숙지하고 계시면
전력전자에서 사용하는 스위치를 공부하는데 많은 도움이 되실 것입니다.
2022.03.24 - [전력전자] - 반도체 용어 정리
반도체 용어 정리
안녕하십니까 전력전자와 각종MCU를 공부하고 최종적으로 작품을 만드는 전자 장인 입니다 오늘의 주제는 반도체 공부를 위한 반도체 용어 정리! 다이오드, BJT, MOSFET 등 반도체 스위치를 공부하
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지금까지 전력전자와 각종MCU를 공부하고 최종적으로 작품을 만드는 전자 장인 이었습니다
감사합니다
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