[전공수업] 전자반도체- pn접합 다이오드

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[전공수업] 전자반도체- pn접합 다이오드에 대한 보고서 자료입니다.

목차

pn접합 다이오드



개요

1. pn접합 전류
　1.1 pn접합 내에서의 전하 흐름의 정성적 고찰
　1.2 이상적 전류-전압 관계
　1.3 경계조건
　1.4 소수캐리어 분포
　1.5 이상적인 pn 접합 전류
　1.6 물리적 현상의 요약
　1.7 온도 효과
　1.8 “짧은” 다이오드

2. pn접합의 소신호 모델
　2.1 확산저항
　2.2 소신호 어드미턴스
　2.3 등가회로

3. 생성-재결합 전류
　3.1 역바이어스 생성전류
　3.2 순바이어스 재결합 전류
　3.3 총 순바이어스 전류

4. 접합 항복

5. 전하축적 및 다이오드의 과도특성
　5.1 Turn-Off 과도 특성
　5.2 Turn-ON 과도 특성

6. 터널 다이오드

본문내용

n0/Lp)[exp(eVa/kT) - 1]exp[(xn - x)/Lp] (x xn)
Jn(x)= eDnnp0[exp(eVa/kT) - 1]exp[(xp + x)/Ln] (x -xp)
<순바이어스 하에 있는 pn접합을 흐르는 이상적인 전자 및 정공 전류 성분>
1.7 온도 효과
순바이어스 전류-전압 관계는 식 J= Js[exp(eVa/kT) - 1]으로 주어지는데, 이는 온도의 함수로도 된다.
온도∝ 1/순바이어스 전압
(만약, 전압을 일정하게 유지시킨다면 다이오드 전류는 온도가 증가함에 따라 증가한다.)
1.8 “짧은” 다이오드
<짧은 다이오드의 구조>
“긴” 다이오드와의 소수캐리어 정공 확산전류밀도의 비교: “짧은” 다이오드에서 더 큼
2. pn접합의 소신호 모델
2.1 확산저항
증분 저항이라고도 불리는 확산저항(diffusion resistance)은 식 rd= Vt/IDQ으로 표현된다. 증분 저항은 바이어스전류가 증가함에 따라 감소하고, I-V특성 기울기에 반비례한다.
<소신호 확산 저항의 개념을 나타내는 곡선>
2.2 소신호 어드미턴스
1) 정성적 해석
: n영역에서의 정공과 p영역에서의 전자의 충방전 기구는 커패시턴스를 유발한다. 이를 확산 커패시턴스(diffusion capacitance)라고 부른다.
2) 수학적 해석
Cd= (1/2Vt)(Ip0τp0 + In0τn0)
<(a) 순 바이어스된 직류 값에 교류전압이 중첩된 pn 접합 (b) 공간전하 끝에서의 정공농도 대 시간 (c) 세 가지 다른 시간에 대한 n 영역 내에서의 정공 농도 대 거리>
<순바이어스 전압 변화에 따른 소수 캐리어 농도 변화>
2.3 등가회로
Vapp= Va + Irs (Vapp: 총전압, Va: 접합의 양단 전압)
<(a) 이상적으로 순 바이어스된 pn 접합 다이오드의소신호 등가회로 (b) 완성시킨 pn 접합의 소신호 등가회로>
<직렬저항 효과가 있는 pn접합 다이오드의 순바이어스된 I-V 특성>
3. 생성-재결합 전류
Shockley-Read-Hall의 재결합 이론에 의해 주어진 과잉 전자들과 정공들의 재결합율(R)은
R= CnCpCt(np - ni2) / Cn(n + n') + Cp(p + p')
(여기에서 n 및 p는 각각 전자 및 정공의 농도이다.)
3.1 역바이어스 생성전류
Jgen= eniW / 2τ0
<역바이어스된 pn접합에서의 전자와 정공의 생성과정>
3.2 순바이어스 재결합 전류
Jrec= (eniW / 2τ0)exp(eVa / 2kT)= Jr0exp(eVa / 2kT)
<유사 페르미 준위를 포함하는 순 바이어스된 pn접합의 에너지 밴드 다이어그램>
3.3 총 순바이어스 전류
다이오드 전류-전압 관계: I= Is[exp(eVa / nkT - 1]

<순바이어스된 pn 접합에서의 이상적인 확산, 재결합, 총전류>
4. 접합 항복
1) 항복전압이란?
: 역바이어스 전류가 급격하게 증가하게 되도록 인가된 전압
VB= εsE2crit / 2eNB
2) 역바이어스 항복을 일으키는 두 가지 물리적 매커니즘?
: 제너효과(Zener effect), 애벌런치 효과(avalanche effect)
(a) 역 바이어스된 pn 접합 내에서의 제너 항복 메커니즘 (b) 역 바이어스된 pn 접합 내에서의 애벌런치 항복 과정>
<애벌런치 증배가 일어나는 동안 공간전하 영역에서의 전자 및 정공 전류 성분>
5. 전하축적 및 다이오드의 과도특성
전하축적 효과와 이에 따른 과도현상에 대하여 알아보자.
5.1 Turn-Off 과도 특성
다이오드가 on 상태에서 off 상태로
t < 0에서
1) 순바이어스 전류
I= IF= (VF - Va)/RF
2) 역바이어스 전류
I= -IR≒ -VR/RF
<순 바이어스에서 역 바이어스로 다이오드를 스위칭 시키기 위한 간단한 회로>
<(a) 정상상태 순바이어스 소수캐리어 농도 (b) 스위칭 동안 여러 시간에서의 소수캐리어 농도>
<다이오드 스위칭 동안의 전류 대 시간 특성>
5.2 Turn-ON 과도 특성
Turn-on의 첫 단계: Va=0일 때 역바이어스 값에서부터 그 열평형 값으로 공간전하폭이 줄어들기 위해 요구되는 시간의 길이
Turn-on의 두 번째 단계: 소수캐리어 분포가 확립되는 데 필요한 시간
6. 터널 다이오드
터널 다이오드란 n 및 p영역이 모두 변질(degenerately)되게 도핑된 반도체로 된 pn접합

키워드

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