p-n 접합

p-n 연결점.회로 기호가 표시된다: 삼각형은 p 측에 해당한다.

p-n 접합은 반도체 단일 결정 내부에 있는 p-type과 n-type이라는 두 가지 유형의 반도체 재료 사이의 경계 또는 접점이다."p"(양) 면은 과잉의 구멍을 포함하고, "n"(음) 면은 그곳의 전기 중성 원자의 외피에 과잉의 전자를 포함하고 있다.이를 통해 전류가 한 방향으로만 접속부를 통과할 수 있다.p-n 접합은 예를 들어 이온 이식, 도펜트의 확산 또는 에피택시(다른 유형의 도펜트를 도핑한 결정층 위에 한 종류의 도펜트를 도핑한 결정층을 배양하는 것)에 의해 생성된다.만약 두 개의 분리된 물질을 사용한다면, 이것은 반도체 사이에 전자와 구멍을 분산시킴으로써 그것의 효용을 심각하게 억제할 수 있는 곡물 경계를 도입할 것이다.^{[citation needed]}

p–n 접합부는 다이오드, 트랜지스터, 태양전지, LED, 집적회로 등과 같은 반도체 전자 소자의 기본적인 "건물 블록"이며, 장치의 전자적 동작이 이루어지는 활성 현장이다.예를 들어, 일반적인 유형의 트랜지스터인 양극 접합 트랜지스터는 n–p–n 또는 p–n–p 형식의 두 개의 p–n 접합부로 구성되며, 다이오드는 단일 p-n 접합으로 만들 수 있다.쇼트키 분기점은 금속이 n형 반도체의 역할을 하는 p-n 접합부의 특수한 경우다.

특성.

실리콘 원자(Si)는 약 4500만배 확대됐다.

p-n 접합부는 현대 전자제품에 필수적인 속성을 가지고 있다.p 도핑 반도체는 상대적으로 전도성이 강하다.n도프 반도체도 마찬가지지만 두 반도체 영역의 상대전압에 따라 이들 사이의 접점이 충전 캐리어가 고갈되어 비전도성이 될 수 있다.이 비전도층을 조작함으로써 p–n 접합부는 일반적으로 다이오드(diode: 한 방향으로의 전기 흐름을 허용하지만 다른 (반대) 방향은 허용하지 않는 회로 요소)로 사용된다.바이어스는 p-n 접합부에 걸쳐 전압을 적용하는 것이다. 전방 바이어스는 쉬운 전류 흐름 방향에 있고, 역방향 바이어스는 거의 또는 전혀 전류 흐름이 없는 방향에 있다.

p–n 접합부의 전방-바이어스와 역-바이어스 특성은 다이오드로 사용할 수 있음을 암시한다.p–n 접속 다이오드는 전하가 한 방향으로 흐르지만 반대 방향으로 흐르지는 않는다; 음전하(전자)는 쉽게 접속부를 통해 흐를 수 있지만 p에서 n으로 흐르지 않을 수 있고, 그 반대로 구멍에 대해서는 사실이다.p-n 접합부가 전진 편향되면 p-n 접합부의 저항이 감소하여 전하가 자유롭게 흐른다.그러나 p-n 접합부가 역 바이어스되면 접합 장벽(따라서 저항)이 커지고 충전 흐름이 최소화된다.

평형(편향 영점)

p-n 접속점에서, 외부 인가 전압 없이, 접속점에 걸쳐 전위차가 형성되는 평형 상태에 도달한다.이러한 전위차를 내장전위 $V_{\rm {bi}}$ b $V_{\rm {bi}}$ ${\$ 라고 한다 $V_{\rm {bi}}$

접합부에서 n형에서 자유전자가 p형에서 양성구멍으로 유인된다.그들은 p-type으로 확산되어 구멍과 결합하고 서로를 취소한다.유사한 방법으로 p-타입의 양성 구멍이 n-타입의 자유전자에 끌린다.이 구멍들은 n 타입으로 확산되어 자유 전자와 결합하고 서로를 상쇄한다.n형에서 양전하, 기증자, 도파트 원자는 결정의 일부로서 움직일 수 없다.따라서, n형에서는 접속점 근처의 지역이 양전하가 된다.p형에서 음전하, 수용자, 도판 원자는 결정의 일부로서 움직일 수 없다.따라서 p-type에서는 접합부 근처의 지역이 음전하가 된다.그 결과 접속점 부근은 이러한 충전된 지역이 생성하는 전기장을 통해 접속점에서 이동 전하를 밀어내는 역할을 한다.p-n 인터페이스 근처의 지역은 중립성을 잃고 대부분의 이동 통신사가 공간 충전 지역 또는 소모 층을 형성한다(그림 A 참조).

그림 A.0-bias 전압이 인가된 열 평형에서의 p-n 접점.전자와 구멍의 농도는 각각 파란색과 빨간색 선으로 보고된다.회색 지역은 전하중립이다.빛-적색 영역은 양극으로 충전된다.연청색 영역은 음전하를 띤다.전기장은 하단에 표시되며, 전자와 구멍에 대한 정전기력 및 확산이 전자와 구멍을 움직이는 경향이 있는 방향은 실제로 보다 부드러워져야 한다. (로그 농도 곡선은 전기장 강도에 따라 다양한 기울기를 가져야 한다.)

우주 전하 영역에 의해 생성된 전기장은 전자와 구멍 모두에 대한 확산과정에 반대한다.공간 전하를 더 많이 발생시키는 경향이 있는 확산 과정과 확산에 대항하는 경향이 있는 우주 전하에 의해 발생하는 전기장이라는 두 가지 동시 현상이 있다.평형상태에서의 반송파 농도 프로파일은 파란색과 빨간색 선으로 그림 A에 나타나 있다.평형을 이루는 두 가지 역균형 현상도 보여진다.

그림 B.0-bias 전압이 인가된 열 평형에서의 p-n 접점.접합부 아래에는 전하 밀도, 전기장 및 전압에 대한 플롯이 보고된다.(로그 농도 곡선은 전압처럼 실제로 더 부드러워져야 한다.)

공간충전 영역은 고정 이온(도너 또는 수용자)이 제공하는 순전하를 가진 영역으로, 다수 반송파 확산에 의해 발견되지 않은 채 방치되어 있다.평형에 도달하면 표시된 단계 함수에 의해 전하 밀도가 근사값으로 계산된다.실제로 그림 A의 y축이 로그 척도이기 때문에 이 지역은 (순도핑 수준과 동일한 전하 밀도를 갖는) 대다수 캐리어가 거의 완전히 고갈되어 있고, 공간 충전 지역과 중립 지역 사이의 가장자리가 상당히 날카롭다(그림 B, Q(x) 그래프 참조).공간 전하 영역은 p-n 인터페이스의 양쪽에서 동일한 전하 크기를 가지므로 이 예에서 덜 도핑된 측면(그림 A와 B의 n측)에서 더 멀리 확장된다.

전방 바이어스

전방 바이어스에서는 p형식이 양극단자와 연결되고 n형식이 음극단자와 연결된다.

PN 연결부가 전진-바이어스 모드에서 작동하여 소모 폭 감소 표시.

패널은 에너지 밴드 다이어그램, 전기장, 순 전하 밀도를 보여준다.p와 n 접점은 모두 1e15/cm3 (0.00016C/cm³) 도핑 수준에서 도핑되어 있어 최대 0.59V의 내장 잠재력을 갖는다. 고갈 폭 감소는 p–n 접점을 가로지르는 수축 캐리어 움직임에서 유추할 수 있으며, 그 결과 전기 저항이 감소한다.p-n 접합부를 p-type 재료(또는 n-type 재료로 교차하는 구멍)로 교차하는 전자는 인근 중립 영역으로 확산된다.중립에 가까운 구역에서의 소수 확산량은 다이오드를 통해 흐를 수 있는 전류의 양을 결정한다.

반도체에는 다수 캐리어(n타입 소재 전자 또는 p타입 구멍)만이 거시적인 길이로 흐를 수 있다.이를 염두에 두고 접합부를 가로지르는 전자의 흐름을 고려하십시오.전방 바이어스는 전자를 N측에서 P측으로 밀어내는 힘을 발생시킨다.전방 바이어스(forward biasurement)를 사용하면 전자가 접합부를 가로질러 p-type 물질로 주입할 수 있을 정도로 고갈 부위가 좁다.그러나 p타입 소재를 통해 무한정 흐르지는 않는데, 구멍으로 재결합하는 것이 정력적으로 유리하기 때문이다.전자가 재결합하기 전에 p형 물질을 통해 이동하는 평균 길이를 확산 길이라고 하며, 일반적으로 마이크로미터의 순서로 되어 있다.^[1]

비록 전자가 p형 물질로 짧은 거리만 침투하지만, 구멍(대수 반송파)이 반대 방향으로 흐르기 시작하므로 전류가 중단 없이 계속된다.총 전류(전자와 구멍 전류의 합)는 우주에서 일정하게 나타나는데, 어떤 변화도 시간에 따른 전하 축적을 야기할 수 있기 때문이다(이것이 키르쇼프의 현행 법칙이다).p형 영역에서 n형 영역으로의 홀의 흐름은 N에서 P로 전자의 흐름과 정확히 유사하다(전자와 홀의 스왑 역할과 모든 전류와 전압의 신호가 역전된다).

따라서 다이오드를 통한 전류 흐름의 거시적 그림에는 n형 영역을 통해 접합부를 향해 흐르는 전자와 반대방향으로 p형 영역을 통과하는 구멍, 그리고 두 종류의 운반체가 접합부 부근에서 끊임없이 재결합하는 것이 포함된다.전자와 구멍은 반대 방향으로 이동하지만, 그것 또한 반대 전하를 가지고 있기 때문에 전체 전류가 다이오드의 양쪽에서 필요한 방향은 같다.

쇼클리 다이오드 방정식은 눈사태(역 바이어스 전도) 영역 바깥의 p-n 접합부의 전방-바이어스 작동 특성을 모델링한다.

역편향

역 바이어스 실리콘 p-n 접합부.

p형 영역을 전압 공급기의 음 단자에, n형 영역을 양극 단자에 연결하는 것은 역방향 편향에 해당한다.다이오드가 역 바이어스되면 음극 전압은 양극 전압보다 상대적으로 높다.따라서 다이오드가 고장날 때까지 전류가 거의 흐르지 않는다.연결부는 인접한 다이어그램에 설명되어 있다.

현재 p형 물질은 전원 공급기의 음 단자에 연결되어 있기 때문에 p형 물질에 있는 '구멍'이 접속점에서 떨어져 나가 충전된 이온을 남기고 고갈 부위의 폭이 커지게 된다.마찬가지로 n형 영역은 양극 단자에 연결되어 있기 때문에, 전자는 접속점에서 떨어져 나가게 되는데, 그 영향도 비슷하다.이로 인해 전압 장벽이 증가하여 차지 캐리어의 흐름에 대한 고저항이 발생하므로 최소 전류가 p-n 접점을 통과할 수 있다.p-n 접합부의 저항이 증가하면 접합부가 절연체 역할을 하게 된다.

역바이어스 전압이 증가할수록 고갈 구역 전기장의 강도는 증가한다.일단 전기장 강도가 임계 수준을 넘어 증가하면 p-n 접속 고갈 지대가 분해되고 전류가 흐르기 시작하는데, 대개 제너나 눈사태 붕괴 과정에 의해 발생한다.이 두 가지 분해 공정은 모두 비파괴적이며, 흐르는 전류의 양이 반도체 자재를 과열시키고 열 손상을 일으키는 수준에 이르지 않는 한 가역적이다.

이 효과는 제너 다이오드 레귤레이터 회로의 장점을 살리는 데 사용된다.제너 다이오드는 분해 전압이 낮다.고장 전압에 대한 표준 값은 예를 들어 5.6V이다.즉, 다이오드가 고장나므로 음극에서의 전압이 양극의 전압보다 약 5.6V 이상 높을 수 없으며(전류로 약간의 상승은 있지만), 따라서 전압이 더 높아지면 전도한다.이것은 사실상 다이오드의 전압을 제한한다.

역 바이어싱의 또 다른 적용 분야는 Varicap 다이오드로, 여기서 고갈 구역의 폭(역방향 바이어스 전압으로 제어)이 다이오드의 캐패시턴스를 변화시킨다.

지배 방정식

고갈 부위의 크기

p– $C_{A}(x)$ 접합부의 경우, $C_{A}(x)$ A $C_{A}(x)$ ( $C_{A}(x)$ x ) ${\displaystyle C_{A}(x)$ 를 음으로 충전된 수용기 원자의 농도로 하고 $C_{A}(x)$ , C $C_{D}(x)$ ( $C_{D}(x)$ ) ${\displaystyle C_{D}(x)$ 를 양으로 충전된 공여 원자의 농도로 한다 $C_{D}(x)$ . $N_{0}(x)$ $N_{0}(x)$ ( $N_{0}(x)$ ) $N_{0}(x)$ 과 $N_0(x)$ $P_{0}(x)$ $P_{0}(x)$ ( $P_{0}(x)$ ) ${\displaystyle P_{0}(x)$ 을 각각 전자와 홀의 평형 농도로 한다 $P_{0}(x)$ .따라서, 포아송의 방정식에 의해 다음과 같다.

-{\frac {\mathrm {d} ^{2}V}{\mathrm {d} x^{2}}}={\frac {\rho }{\varepsilon }}={\frac {q}{\varepsilon }}\left[(P_{0}-N_{0})+(C_{D}-C_{A})\right]

여기서 $V$ $V$ 은 $V$ (는) 전위, $\rho$ $\rho$ 은 $\rho$ (는) 전하 밀도, $\varepsilon$ $\varepsilon$ 은 $\varepsilon$ (는) 허용률, $q$ ${\displaystystyle q}$ 은 $q$ 전자 전하 크기이다.

일반적인 경우 도펜트는 깊이 x에 따라 농도 프로파일이 다르지만, 단순한 접합부의 경우 $C_{A}$ $C_{A}$ ${\$ 는 접합부의 p측에서 일정하고 n측에서는 $C_{D}$ 으로 $C_{D}$ 할 $C_{D}$ 수 $있으며$ , C D {\displaysty $C_{D}$ 는 준측에서 일정하다고 가정할 $C_{D}$ 수 있다 $C_{A}$ .ction과 p측 0. $d_{p}$ ${\$ 를 p-side에 있는 고갈 영역의 너비로 하고 $d_{n}$ ${\$ 을 n-side에 있는 고갈 영역의 너비로 $d_{n}$ 한다 $d_{p}$ .그렇다면 $P_{0}=N_{0}=0$ 지역 내에서 $P_{0}=N_{0}=0$ P $P_{0}=N_{0}=0$ = $P_{0}=N_{0}=0$ = 0 $P_{0}=N_{0}=0$ 이(가)므로 다음이어야 한다.

d_{p}C_{{displaystyleA}=d_{n}C_{D}}

왜냐하면 고갈 지역의 p와 n측의 총 전하량은 0이 되기 때문이다.따라서 $D$ $D$ 및 $D$ $\Delta V$ $\Delta V$ $\Delta V$ 이(가) 전체 고갈 영역과 그에 따른 잠재적 차이를 나타내도록 $\Delta V$ 한다.

\Delta V=\int _{D}\int {\frac {q}{\varepsilon }}\left[(P_{0}-N_{0})+(C_{D}-C_{A})\right]\,\mathrm {d} x\,\mathrm {d} x={\frac {C_{A}C_{D}}{C_{A}+C_{D}}}{\frac {q}{2\varepsilon }}(d_{p}+d_{n})^{2}

$따라서$ d $d$ 을 $d$ (를) 고갈 영역의 전체 너비로 지정하면

d={\sqrt {{\frac {2\varepsilon }{q}{{{A}+C_{D}}{C_{A}}}\Delta V}}}}}}

$\Delta V$ $\Delta V$ $\Delta V$ 은(는) $\Delta V_{0}+\Delta V_{\text{ext}}$ $\Delta V_{0}+\Delta V_{\text{ext}}$ $\Delta V_{0}+\Delta V_{\text{ext}}$ + $\Delta V_{0}+\Delta V_{\text{ext}}$ V $\Delta V_{0}+\Delta V_{\text{ext}}$ ${\$ 로 쓸 수 있으며 $\Delta V$ $\Delta V_{0}+\Delta V_{\text{ext}}$ 여기서 전압 차이를 평형 + 외부 구성 요소로 나눌 수 있다.The equilibrium potential results from diffusion forces, and thus we can calculate $\Delta V_{0}$ by implementing the Einstein relation and assuming the semiconductor is nondegenerate (i.e., the product ${P}_{0}{N}_{0}={n}_{i}^{2}$ is independent of the Fermi 에너지:

\Delta V_{0}={\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {C_{A}C_{D}}}{P_{0)}{0}}}\오른쪽)={\frac {kT}{q}\ln \left({\frac {C_{A_{D}}{n_{i}^{2}}\오른쪽)}}}

여기서 T는 반도체의 온도이고 k는 볼츠만 상수다.^[2]

고갈 부위의 전류

쇼클리 이상 다이오드 방정식은 p-n 접합부의 전류를 외부 전압 및 주변 조건(온도, 반도체 선택 등)의 함수로 특징짓는다.그것이 어떻게 파생될 수 있는지 보기 위해서, 우리는 다양한 전류 이유를 검토해야 한다.관례는 평형 상태에서 다이오드가 내장한 전위 구배를 전진(+) 방향으로 가리킨다는 것이다.

정방향 전류( $\mathbf {J} _{F}$ $\mathbf {J} _{F}$ ${\$
- 확산 전류: $\mathbf {J} _{D}\propto -q\nabla n$ $\mathbf {J} _{D}\propto -q\nabla n$ $\mathbf {J} _{D}\propto -q\nabla n$ - $\mathbf {J} _{D}\propto -q\nabla n$ n $\mathbf {J} _{D}\propto -q\nabla n$ 등식을 통한 반송파 $농도$ n ${\displaysty n$ 의 국소 불균형으로 인한 전류
역방향 전류( $\mathbf {J} _{R}$ $\mathbf {J} _{R}$ ${\$
- 필드 전류
- 제너레이션 전류

비수정 접합

위의 다이어그램에서 금속 와이어와 반도체 재료의 접촉은 쇼트키 다이오드라고 불리는 금속-반도체 결합도 생성한다.단순화된 이상적인 상황에서는 반도체 다이오드가 직렬로 연결된 여러 다이오드로 구성되기 때문에 반도체 다이오드는 결코 작동하지 않을 것이다.그러나 실제로 금속 단자와 접촉하는 반도체 부분의 표면 불순물은 금속-반도체 접합부가 다이오드로 작용하지 않을 정도로 고갈층의 폭을 크게 줄인다.이러한 보정되지 않는 접합은 인가 전압 극성과 무관하게 허혈 접촉으로 작용한다.

제조하다

p-n 접합은 예를 들어 이온 이식, 도펜트의 확산 또는 에피택시(다른 유형의 도펜트를 도핑한 결정층 위에 한 종류의 도펜트를 도핑한 결정층을 배양하는 것)에 의해 생성된다.만약 두 개의 분리된 물질을 사용한다면, 이것은 반도체 사이에 전자와 구멍을 분산시킴으로써 그것의 효용을 심각하게 억제할 수 있는 곡물 경계를 도입할 것이다.^{[citation needed]}

역사

p-n 접합부의 발명은 보통 1939년 벨 연구소의 미국 물리학자 러셀 ohl에 기인한다.^[3]2년 후(1941년) Vadim Lashkaryov는 CuO와₂ 은 황화 광전지와 셀레늄 정류기에서 p-n 접합체가 발견되었다고 보고했다.^[4]

참고 항목

참조

^ Hook, J. R.; H. E. Hall (2001). Solid State Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92805-8.
^ Luque, Antonio; Steven Hegedus (29 March 2011). Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-97612-8.
^ Riordan, Michael; Hoddeson, Lillian (1988). Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age. USA: W. W. Norton & Company. pp. 88–97. ISBN 978-0-393-31851-7.
^ Lashkaryov, V. E. (2008) [1941]. "Investigation of a barrier layer by the thermoprobe method" (PDF). Ukr. J. Phys. 53 (special edition): 53–56. ISSN 2071-0194. Archived from the original (PDF) on 2015-09-28.

추가 읽기

Shockley, William (1949). "The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors". Bell System Technical Journal. 28 (3): 435–489. doi:10.1002/j.1538-7305.1949.tb03645.x.

외부 링크

https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q P-N 연결부에 대한 교육용 비디오.
"P-N 접속" – PowerGuru, 2012년 8월.
올라브 토하임, 2007년 P-N 접합부의 기초 물리학.
PN 연결 특성 계산기
나노에 PN 접합 랩 사용 가능HUB.org은 도핑과 재료가 다른 p-n 접속 다이오드의 시뮬레이션과 연구를 가능하게 한다.사용자는 전류 전압(I-V)과 캐패시턴스 전압(C-V) 출력도 계산할 수 있다.

[1] Hook, J. R.; H. E. Hall (2001). Solid State Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92805-8.

[LuqueHegedus2011-2] Luque, Antonio; Steven Hegedus (29 March 2011). Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-97612-8.

[3] Riordan, Michael; Hoddeson, Lillian (1988). Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age. USA: W. W. Norton & Company. pp. 88–97. ISBN 978-0-393-31851-7.

[4] Lashkaryov, V. E. (2008) [1941]. "Investigation of a barrier layer by the thermoprobe method" (PDF). Ukr. J. Phys. 53 (special edition): 53–56. ISSN 2071-0194. Archived from the original (PDF) on 2015-09-28.

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