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안녕하세요 . 다름이 아니라 BJT의 collector region에서 reverse bias를 걸어주면 강제적으로 hole을 주입시켜주는데 왜 excess carrier가 기존에 존재하는 holeconcentration에 가까워 지는 건가요 ?? collector 자체가 n-type이므로 홀이 주입되면 재결합을 통해서 감소해야하는데 왜collector region만 상승하는 것처럼 되는지 이해가 잘 되지 않아요 ㅠㅠ 

답) 좀 헷갈리지요? 박상원학생의 질문을 다시 한번 하나 하나 봅시다.

“다름이 아니라 BJT의collector region에서 reverse bias를 걸어주면 강제적으로 hole을 주입시켜주는 데 왜 excess carrier가 기존에존재하는 hole concentration에 가까워 지는 건가요 ??collector 자체가 n-type이므로 홀이 주입되면 재결합을 통해서 감소해야하는데왜 collector region만 상승하는 것처럼 되는지 이해가 잘 되지 않아요..”

우리는 지금 n-p-n BJT를공부하고 있습니다. 따라서 collector region은n type입니다.

이그림은 minoritycarrier 분포 입장에서 보는 것이라  n type collector에서 minorcarrier인 hole의 분포를 보는 것입니다. 따라서collector에 역바이어스가 걸리면

n typecollector 끝단 오른쪽에서 hole이주입되는 것이지요. 따라서 그림은 박상원 학생이 보내준 그림에서 오른쪽 끝에서 왼쪽으로 hole이 주입되면서 recombination되어 감소하는 것을 볼수있습니다.

왼쪽에서 오른쪽으로 보면 상승하는 것처럼 보이지만 그렇게 보는 것이아니고 홀은 오른쪽에서 주입되기 때문에 오른쪽에서 왼쪽으로 홀이 주입되어 재결합하면서 감소하는 겁니다.

여기까지 이해하고 다시 한번 천천히 그림을 보고 또 질문이 있으면주기 바랍니다.

이제 많이 이해하고 있는데 조금씩만 튜닝하면 완벽히 이해가 될 겁니다.

파이팅!!!!

질문) PN 다이오드부분에서요.

PN 다이오드 특성이 역방향을 걸어줬을 경우에 전류가 하르지 않고 정방향 전압을 걸어주었을때만 전류가 흐르는 특성을 가지고 있다고

배웠던 기억이 있습니다. 그런데 교수님 PN 다이오드 수업 도중 PN 접합에 역방향 바이어스를 걸어 줄 경우에

내부 전기장과 외부 전기장이 같은방향임으로 강력한 전기장에 의서 EXCITATION 된 P TYPE타입 끝에 있는 - 전하 들이 N TYPE 쪽으로 빨려

가서 누설 전류가 생긴다고 들었습니다. 여기서 제가알고 있는 사실이랑은 조금 달라서요 교수님 설명좀 부탁 드려도 될까요?..

누설 전류가 조금 이라도 생길경우에 PN 다이오드에  어떠한 역방향 전압을 걸어줘도 전류가 흐르지않는다 라는 특성에 어긋 나는 것

같아서요 ㅠㅠ 그리고 PN 다이오드가 LED로 사용된다고하는데...왜 LED에 응용되는지.. 도무지 응용이 되질 않습니다 교수님 ㅜㅜ

답) 역방향으로 바이어스를 걸었을 때 전류가 전혀 흐르지 않는다는 것은 가장 이상적인다이오드의경우입니다. 실제로는 약간의 전류가 흐릅니다. 이것을우리는누설전류 즉leakage current라고 합니다. 누설전류의메커니즘을제대로 설명해주는 교수님이 없습니다. 강의에서도 설명을 하였듯이p-n 다이오드에 역방향 즉 n type 끝에 +bias를걸어주고 n type쪽에 ground를 잡으면 zero bias에서 자연스럽게 생긴 p-n 접합 사이에 built-in voltage와 같은 방향의 전압강하가역바이어스에 의해 생기게 되므로 더 큰 built-in voltage가 생기게 됩니다. 따라서 n type의 전자가 p-type으로넘어가야하는데 더 깊은 built-in voltage 즉 더 깊은 장벽으로 넘어가지 못하게 되지요. 홀도 p에서 n으로 흐를때 마찬가지 입니다.

하지만 p type이라 하더라도 fermi-dirac분포곡선을그려보면 아주 아주 극소량의 전자가 CB위로 올라갈수 밖에 없습니다.왜냐하면 300K 상온이기때문입니다. 만약에CB로 올라가는 전자수를 줄이고 싶으면 온도를 내려보면 됩니다.Fermi-dirac분포곡선이 온도에 따라 전자의 분포도가 달라지는 것은 chapter1에서강의를 했습니다. 따라서 300K라 가정하고p type에서 열에너지에 의해 CB로 올라간 전자들중에하필이면 p와 n junction부근에서 즉p의 끝쪽중 n에 접근한 p지역의CB로 올라간 전자는 바로옆 어마어마한 e-field를 느낍니다. 여기서 e-field는built-involtage에서 생긴 e-field입니다.거기다역바이어스를 가해서 더 큰 e-field가 생기게 되겠지요. 그런일부 전자들이 e-field를 느끼면서 바로 빨려가면서 n지역으로넘어가게 됩니다. 아주 아주 일부적으로 전자가 p에서 n으로 흐르게 되겠지요 그리고 n지역도 아주 아주 일부 홀이 생기면서p지역으로 e-field에 의해 drift됩니다. 이런 소량의 전자와 홀의drift curremt가 누설전류로 표현이되는 것입니다. 이론적으로는전류가 흐르지 않는 것이 맞지만 실제로는 약간의 누설전류는 생기게 됩니다. 온도를 낮추어보면 누설전류의양을 조절할수 있습니다. 이부분도 강의에서설명이 되었으니 다시한번 들어보기 바랍니다. 다른 교수님들이 만약 이렇게 설명을 안했다면 잘 못알고있거나 잘 못가르치는 겁니다.

그리고 p-n다이오드의 응용중 하나가 LED입니다. 우리가 집에서 많이 쓰는 LED전구 이것이 p-n다이오드이고 LG TV중OLEDTV에서 p-n다이오드를 응용해서 만듭겁니다.

p-n다이오드에서 빛이나오는 원리는 일단 반도체 물질이 direct band gap을 가진 물질이어야 합니다. 예를 들어 GaAS, GaN등은 밴드갭이 direct bandgap입니다. Si같은 경우는 indirect bandgap입니다. Direct band갭 설명은 직접 찾아보면 쉽게 이해가 가는 부분이니 한번 직접 찾아보기 바랍니다.

따라서 direct band갭을 가진 물질로 이루어진p-n다이오에서 순바이어스를 걸어주면 엄청난 양의 전자가 n에서 p로 넘어가고 엄청남 양의 홀이 p에서 n으로 넘어가는데 중간에 depletion영역을 스쳐 지나가면서 recombination 상황이 생깁니다. 이때 전자가 VB쪽 홀로 recombination 되면서 생기는 현상이 빛으로에너지를잃으면서 recombination되는 겁니다. CB의전자는일단 에너지 준위 상태가 높은 쪽에 있으므로 VB와 같은 낮은 준위의 에너지 레벨로 떨어질 때에너지를방출한다고 보어의 법칙에서 배웁니다. 에너지 방출로는 빛에너지 열에너지 소리에너지등등이 있지만 direct bandfgap을 가진 물질에서는 주로 빛에너지로 에너지를 방출하고 recombination이 되는 겁니다. 이해가 되었기를 빕니다.

질문)

지난 질문에 답변 감사드립니다!

오늘도 질문이 있어서 글을 남기게 되었습니다.

<1a self Q&A>
electron, hole, state??
state : 전자가 들어갈 수 있는 빈 방  =
electron : conduction band의 (-) charge state
hole : 에너지에 의해 전자들이 excitation이 되고 난 후 전자가 빠져나간 state / valence band의 (+) charge state 라고정리를 해보았습니다.
여기서 궁금한 점이 생겼습니다. 전류를 구할 때 위에 설명한 electron과 hole의 개수만 더한다는 것까지 이해했습니다. 그렇다면 valence band의(-) charge state는 electron이라고 부르기는 하는데 전류를 구할때만 관계가없는 electron이 맞는지 확인받고 싶습니다.

답)

 state : 전자가 들어갈 수 있는 빈 방  = OK
electron : conduction band의 (-) charge state = OK
hole : 에너지에 의해 전자들이 excitation이 되고 난 후 전자가 빠져나간 state / valence band의 (+) charge state 라고정리를 해보았습니다. => (열 또는 광에너지) 에너지에의해 (VB내의) 전자들이excitation이 되고 난 후 전자가 빠져나간 state / valence band의 (+) charge state 라고 정리를 해보았습니다.
여기서 궁금한 점이 생겼습니다. 전류를 구할 때 위에 설명한 electron과 hole의 개수만 더한다는 것까지 이해했습니다. 그렇다면 valence band의(-) charge state는 electron이라고 부르기는 하는데 전류를 구할때만 관계가없는 electron이 맞는지 확인받고 싶습니다. =>좋은질문입니다. 반도체 공학에서 궁극적으로 배우는 것중에 하나가 전류입니다. 전류의 구성은 전자와 홀의 합 정확히 얘기하면 전자와 홀의 수 그리고 전자와 홀의 이동도 그리고 전압(전장, e-field)를 조합해서 구하는 겁니다. 여기서 전자와 홀의 수를 구하기 chapter1에서 위해서 F-D ft도 배우는데 여기서 전자는 정확히 CB에 올라간 전자와 VB에 남겨진 홀만이 전류에 기여합니다. 그리고 전자 홀의 이동도 mobility를 말할때도 CB의 전자 이동도 VB의 홀의 이동도를 따지는 것이지 VB에 있는 전자들은 전류에 기여를하지 못합니다. 단적으로 doping이 안된 intrinsic Si원자를 낮은 온도 상태에두면 VB의 전자는 절대로CB로 올라가지 못하고 VB내에 존재합니다. 여기에 아무리 전압을 가해도 전류는 흐르지 않습니다. 옛날 과학자들은이런 현상을 보고 이렇게 물리학적으로 해석하고 F-D ft 공식도 만들어 전류를 구하게 된것입니다.

<1d self Q&A>
1. 5족원소인 P를 도핑하게되면 Si의 4개의 state, P의 3개의 state+ 1개의 donor electron이 형성됩니다.electron이 하나가 남기 때문에 CB 부근에 이electron이 형성됩니다.(형성 위치는 물질마다 다릅니다) 결론적으로 donor level이CB와 가까운 쪽에 형성되고 온도가 높아지면 donor level의 전자가 CB로 이동하고 donor level에 hole이 형성됩니다.
2. P는 5족원소이기 때문에 Si에 도핑하게되면 n-type가 됩니다.  여기서 electron이 diffusion되어 move out되면 (+) charge가 됩니다.
3. B는 3족원소이기 때문에 Si에 도핑하게되면 p-type이 됩니다.  여기서 hole이 diffusion되어move out되면 (-) charge가 됩니다.

답)

1. 5족원소인 P를 도핑하게되면 Si의 4개의 state, P의 3개의 state + 1개의donor electron이 형성됩니다. electron이 하나가 남기 때문에 CB 부근에 이 electron이 형성됩니다.(형성 위치는 물질마다 다릅니다) 결론적으로 donor level이 CB와 가까운 쪽에 형성되고 온도가 높아지면 donor level의 전자가 CB로 이동하고 donor level에 hole이 형성됩니다.

=> 위에서도 설명하였듯이 hole의정의는 VB에서 전자가 빠져나간 자리 즉 전류에 기여할수 있는 state를hole이라 부릅니다. 그래서 donor level에서 전자가 열, 광에너지를 받아서 CB로 올라간후 남겨진 donor level의 +state를 hole이라 부르지 않습니다. 주로 +charged state로 부르는 것이 맞습니다. Donor level에서 남겨진 +charge state들은 전류에기여하지 못하기 때문에 hole이라 부를수 없습니다.

만약 이것까지 hole이라 부르면 전류식에서 이론적인계산값과 실제 측정치가 너무도 틀려지기 때문입니다.

1f compensated semiconductor강의 부분을 들어보면 좀더 확실해 질겁니다.

2. P는 5족원소이기때문에 Si에 도핑하게되면 n-type가 됩니다.  여기서 electron이 diffusion되어 move out되면 (+) charge가 됩니다.= OK
3. B는 3족원소이기 때문에 Si에 도핑하게되면 p-type이 됩니다.  여기서 hole이 diffusion되어move out되면 (-) charge가 됩니다.=OK

<1e self Q&A>
1. n-type의 경우 eq1은 conduction band와 fermi level 사이의 관계, eq2는 Efi와 fermi level과의 관계 식입니다. =OK
또한 p-type의 경우 eq1은 valence band와 fermi level 사이의 관계, eq2는 Efi와 fermilevel과의 관계 식입니다. = OK
2. 도핑을 지속적으로 하게되면 degenerated(fermi level이 conduction band까지 치고 올라감) 상태가 됩니다.
3. Nd와 n0가 같지 않습니다. =OK

안녕하세요 박사님.

chapter2를 공부하는 중에 궁금한 점이 생겨 문의드립니다.

pn junction에서 E-filed가커질수록 depletion region 넓어지게 되는데, 이를 'E-field가 커질수록 ionized된 acceptor와 donor가 많기 때문에 depletion region이 커진것이다' 라고 생각해도 괜찮은건가요?

박사님께서 설명해주신 physical meaning으로는 depletion region의 넓이에 대한 이해가 쉽게 되는데,E-field와 depletion region의 관계가 제가 생각하는 개념이 맞는지 궁금하여문의글 올립니다.!

감사합니다.

답) n 지역의 전자가 p지역으로 diffusion되면 남겨진 +charged ion 이 남겨집니다.

p지역의 hole이 n지역으로 diffusion되면 그자리는 –charged ion이 남겨집니다.

Diffusion의 원리는 높은 농도에서 낮은 농도로 자연스럽게 생기는 현상입니다.

그리고 왜 +charged ion이 남겨지고 왜 –chargedion이 남겨지는지의 원리는 교안 1d 13페이지에서 16페이지에걸쳐서 설명을 했습니다.

E-filed가 생기는 원리는 전자기학 시간에 배웠는지 모르겠지만 양전하와 음전하여기서는 +charged ion과 –charged ion이있으면 자연스럽게 e-field가 생기게 됩니다. 그런데확산이 일어나면서 +이온수와 –이온수가 늘어가겠지요. 그럼 e-field의 크기(세기)가 더 커지지 않겠습니까?

따라서 박지우씨 질문을 다시 리뷰해보면

“E-filed가 커질수록 depletionregion 넓어지게 되는데, 이를 'E-field가커질수록 ionized된 acceptor와 donor가 많기 때문에 depletion region이 커진것이다' 라고 생각해도 괜찮은건가요?”

e-field가 커질수록 depletion이넓어진 것이 아니고 남겨진 +이온수와 –이온수가 늘어난 자체가depletion이 넓어진 것이고 따라서 e-field도커진것입니다.

이해가 되었기를 바랍니다.

지금까지는 외부에 전압을 가하지 않았을 때 즉 zerobias일때의 설명이고

한편 외부에 bias를 가하게 되면 외부 전압은저항이 가장 큰 부분에서 전압강하가 일어나므로 만약 외부 전압을 가하게 되면(물론 순바이어스이냐 역바이어스이냐에따라 다르지만) 대부분 전압강하는 depletion영역에서일어납니다, 왜냐하면 depletion영역이 다른 neutral 지역보다 저항성분이 크기 때문입니다. 따라서 외부 바이어스에의해 depletion지역에 전압강하가 일어나다보니 추가로 e-field의세기가 변화하게 됩니다.