PN접합 부 전류와 생성, 재결합 전류

1. PN접합부 전류

pn 접합부의 전류는 접합부를 통과하는 전하의 흐름을 의미하며, 인가된 전압의 극성에 따라 정방향 또는 역방향으로 흐를 수 있습니다. pn 접합이 정방향 바이어스일 때 인가된 전압은 접합부를 통해 전류가 쉽게 흐를 수 있는 방향입니다. 이 경우, n형 물질의 전자와 p형 물질의 구멍이 접합부를 가로질러 주입되고, 반대 전하 캐리어와 재결합하여 다이오드를 통해 전류가 흐르게 됩니다. 전류의 크기는 인가되는 전압, p형 및 n형 영역의 도핑 농도, 소자의 온도에 따라 달라집니다. 전류는 일반적으로 전압과 전류 사이의 수학적 관계를 제공하는 쇼클리 다이오드 방정식에 의해 모델링됩니다. pn 접합이 역편향일 때 인가되는 전압은 접합부를 통해 전류가 흐르기 어려운 방향입니다. 이 경우 열 발생된 캐리어로 인해 소자에 소량의 누설 전류만 흐릅니다. 그러나, 역전압이 증가함에 따라, 고갈영역에 걸친 전계가 증가하게 되고, 인가전압이 소자의 파괴전압을 초과할 경우 접합파괴가 발생할 수 있습니다. 이 경우 큰 역방향 전류가 장치를 통해 흐르며 제너 고장 또는 눈사태 고장이 발생합니다. 요약하면, pn 접합부의 전류는 인가된 전압과 장치의 고유한 전기적 특성에 따라 달라집니다. 접합부가 정방향 바이어스가 되면 전자와 구멍의 주입으로 인해 전류가 장치를 통해 흐릅니다. 접합부가 역바이어스인 경우 소자를 통해 소량의 누설 전류만 흐르지만 인가 전압이 소자의 파괴 전압을 초과하면 이는 크게 증가할 수 있습니다.

2. 생성, 재결합전류

PN 접합과 같은 반도체 소자에서, 생성-재결합(G-R) 전류는 소자 내의 전자-홀 쌍의 생성 및 재결합으로 인한 전하 캐리어의 흐름을 의미합니다. 이러한 유형의 전류는 전기장의 영향 하에서 기존 캐리어의 움직임으로 인해 발생하는 확산 및 드리프트 전류와 구별됩니다. PN 접합에서 G-R 전류는 열 들뜸, 재료의 불순물 상태, 결정 격자의 결함을 포함한 다양한 메커니즘으로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 메커니즘은 접합부의 고갈 영역 내에서 전자-구멍 쌍의 생성을 초래할 수 있으며, 그 후 서로 재결합하기 전에 접합부의 반대쪽으로 확산될 수 있습니다. G-R 전류의 순 효과는 특히 낮은 전류 수준에서 장치를 통한 전류의 흐름에 반대하는 전류를 생성하는 것입니다. 그러나 높은 전류 수준에서 G-R 전류는 드리프트 및 확산 전류에 비해 무시할 수 있습니다. 실제 장치에서 G-R 전류의 크기는 다른 전류에 비해 작은 경우가 많으며, 일반적으로 다이오드 방정식 또는 유사한 모델을 사용하여 모델링됩니다. 그러나, G-R 전류는 고도로 도핑된 반도체나 고온에서 작동하는 장치와 같은 특정 조건 하에서 중요해질 수 있습니다. 요약하면, 반도체 소자의 G-R 전류는 소자 내에서 전자-홀 쌍의 생성 및 재결합으로 인해 발생하며, 소자를 통한 전류의 흐름에 반대하는 전류를 생성할 수 있습니다. 일반적으로 장치의 다른 전류에 비해 작은 반면, G-R 전류는 특정 조건에서 중요해질 수 있습니다.

3. PN 접합부의 소신호 모델

PN 접합부의 작은 신호 모델은 전압이나 전류의 작은 변화에 반응하는 접합부의 동작을 설명하는 데 사용되는 선형화된 모델입니다. 이 모델은 장치가 장치를 통과하는 전류가 장치 전체에 인가되는 전압에 비례하는 선형 영역에서 작동한다고 가정합니다. pn 접합부의 소신호 모델은 저항과 캐패시턴스를 병렬로 구성한 선형 회로 모델을 사용하여 설명할 수 있습니다. 저항은 장치의 동적 저항을 나타내며, 캐패시턴스는 접합부의 고갈 캐패시턴스를 나타냅니다. 장치의 동적 저항은 전압의 작은 신호 변화와 전류의 작은 신호 변화의 비율로 정의됩니다. 디바이스의 도핑 농도 및 물리적 치수에 따라 달라지며, 다이오드 방정식 또는 기타 등가 회로 모델을 사용하여 계산할 수 있습니다. 접합부의 공핍 용량은 장치가 역편향될 때 pn 접합부에서 형성되는 공핍 영역으로 인해 발생합니다. 디바이스의 도핑 농도 및 물리적 치수에 따라 달라지며, 고갈 근사치 또는 기타 등가 회로 모델을 사용하여 계산할 수 있습니다. PN 접합의 작은 신호 모델은 작은 신호 AC 신호 또는 소음에서 발생하는 것과 같은 전압 또는 전류의 작은 변화에 대응하는 장치의 동작을 분석하는 데 유용합니다. 또한 pn 접합 장치를 포함하는 증폭기, 필터 및 발진기와 같은 선형 및 소신호 회로의 설계에 사용됩니다. 요약하자면, pn 접합의 소신호 모델은 전압이나 전류의 작은 변화에 반응하는 접합의 거동을 설명하는 선형화된 모델입니다. 저항과 병렬 캐패시턴스로 구성되어 각각 접합부의 동적 저항과 고갈 캐패시턴스를 나타냅니다. 이 모델은 선형 및 소형 신호 회로에서 장치의 동작을 분석하는 데 유용합니다.

4. 터널다이오드

터널 다이오드는 음의 저항을 나타내는 반도체 소자의 일종입니다. 즉, 다이오드에 인가되는 전압이 증가하면 다이오드를 통과하는 전류가 감소합니다. 이는 전압이 증가함에 따라 전류가 증가하는 대부분의 다른 유형의 다이오드에서 발생하는 것과 반대입니다. 터널 다이오드는 터널링의 양자역학적 현상에 기반을 두고 있기 때문에 그렇게 명명되었습니다. 터널링은 고전 물리학에 따르면 전자가 통과할 수 없는 장벽을 통과할 때 발생합니다. 터널 다이오드에서 장벽은 심하게 도핑된 p-n 접합에 의해 생성되며, 이는 고갈된 전하 캐리어의 영역을 야기합니다. 이 영역은 전자가 터널을 통과할 수 있을 정도로 좁아서 음의 저항 효과를 만듭니다. 터널 다이오드는 매우 빠른 스위칭 속도를 가지고 있어 마이크로파 회로와 같은 고주파 애플리케이션에서 유용합니다. 또한 저소음 애플리케이션이나 발진기에도 사용됩니다. 그러나 음의 저항 특성은 안정적인 전압 또는 전류 출력을 제공할 수 없기 때문에 다른 많은 응용 분야에서 사용을 제한합니다.