집적회로소자개론 [6] PN junction과 Forward/Reverse Bias

 

집적회로소자개론 [5] Diffusion

 

 

 MOSFET 구조 안에는 이미 PN junction, metal-semiconductor contact, MOS capacitor 가 다 들어있다. 즉, 반도체 소자는 junction들의 조합이다. 따라서, pn junction을 이해해야 MOSFET 동작도 이해된다.

 

1. PN junction

 p-type과 n-type의 반도체를 붙여보자. 붙이는 순간 농도 차이로 인해 diffusion이 발생하면서 전자는 n에서 p로 정공은 p에서 n으로 이동한다. 캐리어가 이동하고 나면 n type에서는 (+) donor ion이 남고, p type에서는 (-) donor ion이 남는다. 이 이온들은 움직이지 못하는 fixed charge로, 이로 인해 공핍층(depletion region)이 생성된다.

 

 여기서 fixed charge로 인해 전기장(Electric Field)이 형성되며, 이때 방향은 n(+) -> p(-)이다. 이러한 전기장으로 인해 drift가 발생한다. drift와 diffusion은 서로 반대 방향이며, 초반에는 diffusion이 우세하나 시간이 지나며 전기장이 강해지고 drift가 커지며, 결국 평형 상태에서는 diffusion = drift이다. 이때는 더이상의 carrier의 이동이 없고, net current = 0이다.

1-1. Built - in Voltage (V_bi)

 전기장이 있으면서 전위차가 생기기 때문에 생긴다. 물리적으로 diffusion을 막는 장벽이자, carrier가 넘어가기 힘든 에너지 장벽이다.

 

 

2. Band Diagram에서의 의미

왜 밴드가 휠까?

 

 전위가 위치에 따라 변하면서 밴드가 휜다.

위 식에 따라, 전위가 커지면 밴드가 내려가고 전위가 작아지면 밴드는 올라간다. 그 결과 Band Bending이 발생한다.

 

2-1. Possion 방정식

정확한 전기장(E-field)와 V(x) 계산해보자.

 

 

 위 식은 전하의 밀도가 전기장을 결정하고, 전기장이 전위를 결정한다는 의미이다. 

 

전체 흐름은 다음과 같다.

charge (ρ) → electric field (E) → potential (V) → band diagram

 

 

 

2-2. 외부에 전압을 걸면?

 외부에서 건 Applied Voltage는 Depletion Region에 걸린다.

 

P, N 영역은 carrier가 많아 전류가 잘 흐르지 못하고, depletion region은 carrier가 없고 저항이 커 depletion region에 집중된다.

 

 

 

2-3. Forward / Reverse Bias

전압을 걸면 barrier가 어떻게 변할까?

 

 

가장 먼저, Diffusion의 양과 Drift의 양이 같은 평형상태의 흐름을 보자. Diffusion과 Drift의 양이 같기 때문에 I_net 는 0이 된다. 

 

 

이때 Applied Voltage(Vg)를 가하면 어떻게 될까? Forward Bias 를 가하는 순간 P 쪽 전위가 올라가고, N쪽 전위가 내려간다. 그 결과 Barrier가 낮아진다. 

 

Reverse Bias의 경우, 그 반대로 Barrier가 커진다.