P-N 분기점

아래 그림(a)에서 P형 반도체 블록과 N형 반도체 블록을 접촉시키면 결과는 무의미하다. 두 개의 전도성 블록이 서로 접촉하여 고유한 특성을 나타내지 않습니다. 문제는 두 개의 별개의 별개의 결정체입니다. 전자의 수는 두 블록의 양성자 수와 균형을 이룹니다. 따라서 두 블록 모두 순전하가 없습니다.

그러나 아래 그림(b)에서 한쪽 끝이 P형 물질이고 다른 쪽 끝이 N형 물질로 제조된 단일 반도체 결정은 몇 가지 독특한 특성을 가지고 있습니다. P형 물질은 결정 격자 주위를 자유롭게 이동할 수 있는 양의 다수 전하 캐리어인 정공을 가지고 있습니다. N형 물질은 이동성 음의 다수 캐리어인 전자를 가지고 있습니다. 접합부 근처에서 N형 물질 전자는 접합부를 가로질러 확산되어 P형 물질의 정공과 결합합니다. 접합부 근처의 P형 물질 영역은 끌어당긴 전자 때문에 순 음전하를 띠게 됩니다. 전자가 N형 영역을 벗어났기 때문에 국부적인 양전하를 띠게 됩니다. 이러한 전하 사이의 결정 격자의 얇은 층은 다수 캐리어가 고갈되어 있으므로 공핍 영역으로 알려져 있습니다. . 비전도성 진성 반도체 재료가 됩니다. 사실상, 우리는 전도성 P 및 N 도핑 영역을 분리하는 거의 절연체를 가지고 있습니다.

(a) 접촉하는 P 및 N 반도체 블록은 악용할 수 있는 속성이 없습니다. (b) P 및 N형 불순물로 도핑된 단결정은 전위 장벽을 생성합니다.

PN 접합에서 이러한 전하 분리는 전위 장벽을 구성합니다. 접합이 전도되도록 하려면 이 전위 장벽을 외부 전압 소스로 극복해야 합니다. 접합 및 전위 장벽의 형성은 제조 공정 중에 발생합니다. 잠재적 장벽의 크기는 제조에 사용되는 재료의 함수입니다. 실리콘 PN 접합은 게르마늄 접합보다 전위 장벽이 더 높습니다.

PN 접합 바이어스

아래 그림(a)에서 배터리는 음극 단자가 N형 물질에 전자를 공급하도록 배열되어 있습니다. 이 전자는 접합쪽으로 확산됩니다. 양극 단자는 P형 반도체에서 전자를 제거하여 접합쪽으로 확산되는 정공을 생성합니다. 배터리 전압이 접합 전위(Si에서 0.6V)를 극복할 만큼 충분히 크면 N형 전자와 P홀이 결합하여 서로 소멸됩니다. 이것은 더 많은 캐리어가 접합부를 향해 흐를 수 있도록 격자 내의 공간을 확보합니다. 따라서 N형 및 P형 다수캐리어의 전류는 접합쪽으로 흐른다. 접합부에서의 재결합으로 인해 배터리 전류가 PN 접합 다이오드를 통해 흐를 수 있습니다. 이러한 접합을 순방향 바이어스라고 합니다. .

(a) 순방향 배터리 바이어스는 재결합으로 인해 배터리 전류가 발생하는 접합쪽으로 캐리어를 밀어냅니다. (b) 역 배터리 바이어스는 접합부에서 멀어지는 배터리 단자 쪽으로 캐리어를 끌어당깁니다. 공핍 영역 두께가 증가합니다. 지속적인 배터리 전류가 흐르지 않습니다.

위의 그림(b)와 같이 배터리 극성이 바뀌면 다수의 캐리어가 접합부에서 배터리 단자 쪽으로 끌어당겨집니다. 양극 배터리 단자는 접합부에서 멀어지는 N형 다수 캐리어인 전자를 끌어당깁니다. 음극 단자는 접합부에서 P형 다수 캐리어인 구멍을 끌어당깁니다. 이것은 비전도성 공핍 영역의 두께를 증가시킵니다. 다수 캐리어의 재조합은 없습니다. 따라서 전도가 없습니다. 이러한 배터리 극성 배열을 역 바이어스라고 합니다. .

다이오드

다이오드 개략도 기호는 (a)의 도핑된 반도체 막대에 해당하는 아래 그림(b)에 나와 있습니다. 다이오드는 단방향 장치. 전류는 순방향 바이어스에 해당하는 화살표를 따라 한 방향으로만 흐릅니다. 다이오드 기호의 음극(바)은 N형 반도체에 해당합니다. 양극 화살표는 P형 반도체에 해당합니다. 이 관계를 기억하려면 N 기호의 ot-pointing(막대)은 N에 해당합니다. -형 반도체. 피 연고(화살표)는 P에 해당합니다. -유형.

(a) 순방향 바이어스 PN 접합, (b) 해당 다이오드 회로도 기호 (c) 실리콘 다이오드 I 대 V 특성 곡선.

위의 그림(a)와 같이 다이오드가 순방향 바이어스되면 전압이 0V에서 증가함에 따라 전류가 약간 증가합니다. 실리콘 다이오드의 경우 위 그림(c)에서 전압이 0.6V에 가까워지면 측정 가능한 전류가 흐릅니다. ). 전압이 0.6V를 넘어서 증가함에 따라 전류는 무릎 이후 상당히 증가합니다. 전압을 0.7V 이상으로 높이면 다이오드를 파괴하기에 충분한 전류가 발생할 수 있습니다. 순방향 전압 VF는 반도체의 특성입니다. 실리콘의 경우 0.6~0.7V, 게르마늄의 경우 0.2V, 발광 다이오드(LED)의 경우 몇 볼트입니다. 순방향 전류 범위는 점 접촉 다이오드의 경우 수 mA에서 소신호 다이오드의 경우 100mA, 전력 다이오드의 경우 수십 또는 수천 암페어입니다.

다이오드가 역 바이어스되면 진성 반도체의 누설 전류만 흐릅니다. 이는 위의 그림(c)에서 원점의 ​​왼쪽에 표시됩니다. 이 전류는 실리콘 소신호 다이오드의 가장 극한 조건에서 1µA만큼 높습니다. 이 전류는 다이오드가 고장날 때까지 역 바이어스가 증가해도 눈에 띄게 증가하지 않습니다. 항복 시 전류가 너무 크게 증가하여 높은 직렬 저항이 전류를 제한하지 않는 한 다이오드가 파괴됩니다. 이를 방지하기 위해 일반적으로 적용된 전압보다 역전압 정격이 더 높은 다이오드를 선택합니다. 실리콘 다이오드는 일반적으로 50, 100, 200, 400, 800V 이상의 역방향 항복 정격으로 사용할 수 있습니다. 전압 표준으로 사용하기 위해 몇 볼트의 낮은 정격으로 다이오드를 제작하는 것이 가능합니다.

우리는 이전에 실리콘 다이오드의 경우 µA 미만의 역 누설 전류가 진성 반도체의 전도 때문이라고 언급했습니다. 이것은 이론으로 설명할 수 있는 누출입니다. 열 에너지는 재결합할 때까지 누설 전류를 전도하는 전자-정공 쌍을 거의 생성하지 않습니다. 실제로 이 예측 가능한 전류는 누설 전류의 일부일 뿐입니다. 누설 전류의 대부분은 반도체 표면의 청결 부족과 관련된 표면 전도 때문입니다. 두 누설 전류 모두 온도가 증가함에 따라 증가하여 소형 실리콘 다이오드의 경우 µA에 근접합니다.

게르마늄의 경우 누설 전류가 수십 배 더 높습니다. 게르마늄 반도체는 오늘날 거의 사용되지 않기 때문에 실제로는 문제가 되지 않습니다.

검토:

<울>

PN 접합은 접합 근처에 P형 및 N형 영역이 모두 있는 단결정 반도체 조각으로 제조됩니다.

접합의 N 측에서 접합의 P 측에서 소멸된 정공으로 전자의 이동은 장벽 전압을 생성합니다. 이것은 실리콘에서 0.6~0.7V이며 다른 반도체에 따라 다릅니다.

순방향 바이어스 PN 접합은 장벽 전압이 극복되면 전류를 전도합니다. 외부 인가된 전위는 다수 캐리어를 재결합이 발생하는 접합쪽으로 강제하여 전류 흐름을 허용합니다.

역 바이어스된 PN 접합은 거의 전류를 전도하지 않습니다. 적용된 역 바이어스는 접합부에서 다수 캐리어를 끌어당깁니다. 이것은 비전도성 공핍 영역의 두께를 증가시킵니다.

역 바이어스된 PN 접합은 온도에 따른 역 누설 전류를 나타냅니다. 이것은 소형 실리콘 다이오드에서 µA 미만입니다.

관련 워크시트:

<울>

PN 접합 워크시트

반도체의 전기 전도 워크시트