Chapter 2-4) 다이오드, PN Junction

※시작에 앞서, 학업을 위해 정리해 놓은 내용들이므로 틀린 부분이 있을 수 있다.

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앞서 배운 N-type 반도체와 P-type 반도체를 접합하게 되면 PN Junction이 되는데

우리는 이를 Diode라 한다.

이번 포스팅에서는 Diode 내에서 일어나는 현상에 대해서 적어보고자 한다.

 

1. PN Junction(Diode)

2. Diffusion in Junction

3. Delpletion Region

4. Drift in Junction

5. Equilibrium in Junction

6. Built-in Potentail

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1. PN Junction(Diode)

앞서 배운 N-type 반도체와 P-type 반도체를 접합할 경우, 우리가 고등학교에서 배운 pn 접합이 되는데,

이를 다이오드라고 한다. 나중에 배운 내용이지만 먼저 적어보자면, 스위치와 비슷한 역할을 한다고 보면 된다.

 

다이오드의 표현은 다음과 같이 한다.

 

Anode는 양극을 의미하며, Cathode는 음극을 의미한다.

 

 

2. Diffusion in Junction

PN junction은 n,p type의 접합체이기 때문에 양쪽에 electron과 hole이 존재한다.

이로 인해 접합 지점에서는 diffusion이 일어나게 되는데, 해당 메커니즘을 나타내면 다음과 같다.

 

 

Majority carrier가 접합된 반대 방향의 반도체로 확산이 된다.

 

 

3. Depletion Region

한국말로 번역하면 결핍 영역이라고 한다.

pn 접합을 하게 되면, 목차 2번에서 확인했듯이, 접합 부분에서 확산이 일어나게 되는데

이로 인해 전자와 정공이 서로 반대편의 반도체로 이동한다.

그리고 전자와 정공이 이동한 공간까지의 영역을 결핍 영역이라고 한다.

해당 메커니즘을 나타내면 다음과 같다.

 

 

p형 반도체에서 넘어간 정공은 n형 반도체를 상대적으로 +으로 만듦과 동시에

n형 반도체에서 넘어간 전자는 p형 반도체를 상대적으로 -으로 만든다.

 

그리고 이렇게 형성된 결핍 영역을 통해 4번으로 소개할 Drift가 junction에서 생기게 된다.

 

 

4. Drift in Junction

결핍 영역(Depletion Region)에는 E field가 생기게 된다.

단면도를 이용해서 전압 값을 나타내면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

 

 

5. Equilibrium in Junction

평형 상태라는 말해 집중해 볼 필요가 있다.

시간이 무한히 지나고 나서 생긴 Depletion Region은 평형 상태가 됨을 목차 3번에서 확인할 수 있었다.

 

그리고 그 평형상태에서는 확산에 의해 생긴 전류의 방향의 반대로 drift에 의해 생긴 전류가 서로 상쇄 작용을 일으켜 net current = 0이 된다. 관계식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

상쇄 작용을 일으킨다

 

6. Built-in Potentail

개념에 대해 적기 전에 먼저 일련의 계산 과정을 따라가고자 한다.

Hole을 예시로 하고 다음과 같은 계산을 진행한다.

 

결과로 x2에서의 V와 x1에서의 V의 차이를 구할 수 있었다.

우리는 이 전압을 Built-in Potential이라고 한다.

 

Built-in Potential은 오로지 PN 접합으로만 인해 생기는 벽이라고 생각하면 된다.

이 벽으로 인해 PN 접합에서는 더 이상 확산이 일어나지 않는다.

오로지 이 Built-in Potential 값 이상의 에너지를 받을 경우에만 또다시 확산이 일어나게 된다.

 

우리는 다이오드의 Built-in Potential 값을 계산함으로써, 어느 정도의 전압을 인가해 줘야지 예측할 수 있다.

 

또한 엔지니어는 이 벽의 크기를 조절함으로써,

필요에 따라 전자와 정공을 더 넘기거나, 덜 넘기거나를 할 수 있다.