반도체소자 #2 The contact potential of diode

intrinsic 실리콘에 donor, acceptor 도핑을 한 실리콘을 접합함으로써 생기는 현상들을 살펴보자.


* 전류는 electron(전자)의 흐름에 의해서 발생하며, hole(정공)은 상대적인 개념이다. 각각의 electron과 hole들을 우리는 carrier라고 부르며, dominant한 carrier를 majority carrier라 하며, 그 반대를 minority carrier라 한다. 이들 carrier는 각각의 그 흐름으로 전류를 만들며, 따라서 mobility charge라고도 부른다. 반면에 13, 15족 원소들이 실리콘 공유결합 사이에 들어 가면서, valence band의 최외각 전자 수의 차이로 생기는 전하를 fixed charge라고 한다.

* approximation : The mathematics of p-n junctions is greatly simplified for the case of the step junction, which has uniform p doping on one side of a sharp junction and uniform n doping on the other side. (donor와 acceptor 도핑이 고르게 분포되있다고 가정한다.)

 접합전의 p-type 실리콘과 n-type 실리콘의 energy band diagram이다. p-type의 Fermi Level은 valence band 근처에 형성되며, n-type의 Fermi Level은 conduction band 근처에 형성된다.

  p-type과 n-tpye 실리콘을 접합시키면, 그 hole과 electron의 농도 차이로 인해 diffusion(확산)이 발생한다. p-type의 majority carrier(hole)는 n-type으로 확산되며, n-type의 electron은 p-type으로 확산해간다. 이 때, 접합부분의 diffusion으로 인해 각각의 majority carrier들이 모두 확산되어 없어져버린 구간이 있다고 가정하며, mobility charge가 없다고 하여 depletion region이라 부른다. 접합 전의 p-type과 n-type의 실리콘은 전하를 띄지않는 중립(neutral) 상태이나, depletion region 은 mobility charge의 부재로 인하여 전하를 띄며 neutral region과 대비된다.

p-type의 hole들이 빠져나간 자리는 negative fixed charge들이 남아서 (-)극성을 띄게되고, n-type의 electron들이 빠져나간 자리는 positive fixed charge들이 남아 (+)극성을 띄게된다. 이때 차이로 인해 electric field가 생기며, 그로인해서 diffusion방향과 반대대로 carrier들이 drift하게 되고, 이로인해 소자는 equilibrium(평형) 상태를 띄게 된다. 

생각해보면 당연한 사실이다. 다른 타입의 실리콘을 단순히 접합시킴으로서 전류가 흐르는 것은 불가능하다고 볼때, 접합부의 diffusion을 상쇄시킬 무언가의 '힘'이 필요하고, 그것이 바로 depletion region의 전하차이로 인해 생기는 electric field에 의한 drift인 것이다.  

접합부의 potential과 energy band diagram을 보면,