소수캐리어 분포 (Minority Carrier)

소수캐리어 분포

소수캐리어 분포 (Moniorty Carrier)를 깊이 있게 이해하면 PN접합 다이오드의 동작을 더욱 더 잘 이해하고 설명할 수 있습니다.

PN접합 다이오드는 순방향 및 역방향 전압에 의해서 그에따른 확산전류 및 드리프트 전류로 동작을 설명할 수 있습니다.

PN다이오드는 한쪽 반도체의 다수캐리어의 확산으로 인해서 반대편 반도체로 넘어가서 확산전류를 발생시킵니다.

만약 P-type반도체의 다수캐리어인 정공이 확산으로 인해서 N-type반도체로 넘어가게 되는 경우를 생각해보겠습니다.

반대편으로 넘어간 정공은 N-type반도체 입장에서는 소수캐리어입니다. 그로인해서 이러한 응답시간이나 분포들을 이해하고 PN다이오드의 물성특성을 이해하는데 도움이 되기 때문에 소수캐리어 분포에 대해서도 확인해보도록 하겠습니다.

평형상태에서 PN다이오드에서 캐리어 분포를 거리에따라 표현해보도록 하겠습니다.

P-type반도체 영역에서 정공과 전자 그리고 N-type반도체에서 전자와 정공은 거리에 따른 일정한 농도분포를 가지면서 분포하고 있습니다.

경계면에 있는 일부 캐리어들은 열운동에 의해서 공핍영역으로 들어가 전기장의 영향을 받아 반대편으로 이동합니다.

하지만 동시에 확산현상도 일어나기 때문에 이러한 성분들은 상쇄가 되어 농도의 변화는 거의 일정하게 유지됩니다.

평형상태에서 소수캐리어 분포를 정량적인 계산을 통해서 알아보겠습니다.

먼저 PN접합부 사이에 Built In전압은 아래와 같이 경계면에서의 전압차이로 구할 수 있고, 초기조건은 아래와 같이 주어졌다고 가정해보겠습니다.

위 방법을 통해서 P-type반도체에서의 소수캐리어 전자농도를 거리에따른 함수로 표현할 수 있습니다. 방법은 경계조건을 활용하고 주어진 전압식을 변형하여 유도하는 것입니다.

순방향 전압을 인가할 경우에는 에너지 장벽이 낮아짐에 따라서 다수캐리어가 확산에 의해서 반대편영역으로 넘어가게 됩니다.

그로인해서 다이오드의 전류성분의 대부분을 이 확산전류가 구성하고 있음을 알고 있습니다. 따라서 이러한 확산에 의해서 반대편 반도체로 이동합니다.

N-type반도체에서 보면 소수캐리어 정공은 반대편 P-type반도체에서 공급해주는 공급원으로 이해할 수 있습니다. 경계면에서는 다수의 정공들이 넘어와 기존에 있던 소수캐리어 농도 p_n보다 높게 구성됩니다.

하지만 거리에 따라 지속적인 이동에 따라서 재결합되며 점점 농도가 기존의 소수캐리어 농도 p_n으로 수렴하게 됩니다.

순방향 전압에서는 V_A라는 전압이 인가되어 Built-in 전압을 감소시켜 에너지 장벽을 낮추는 역할을 합니다.

앞서 확인한 평형상태의 거리에따른 소수캐리어 분포식에는 전압에 대한 변수도 포함이 되어 있었고, 전압이 기존 V_bi만 있던 상태에서 V_A까지 고려하여 표현할 수 있습니다.

경계조건을 통해서 얻는 방법은 평형상태와 동일하며, 가장 초기에는 위와 같은 농도로 형성이 되며 거리에 따라 재결합에 의해 농도가 감소하게 됩니다.

역방향 전압을 인가할 경우에는 에너지 영역이 매우 커지고 확산이 거의 일어나지 않습니다. 그래서 역방향전압에서의 전류분포는 대부분이 소수캐리어에 의한 드리프트 전류에의해서 발생합니다.

먼저 P-type반도체에서 분포하던 전자들은 열운동에 의해서 공핍영역의 강한 전기장에 의해 반대편 영역으로 이동하게 됩니다.

하지만 다수캐리어인 정공은 확산되지 못하기 때문에 반대편에서 전자의 공급이 이루어지지 않습니다. 따라서 P-type반도체의 전자농도는 경계면으로 갈수록 농도가 점점 줄어들게 됩니다.