Chapter 5.

1. Chapter 5. Junction(접합)

2. 학 습 목 표 • 평형상태에서의 p-n 접합의 에너지대역도를 만들고, 푸아송 공식을 이용하여 전계와 전압을 계산함 • “이상적인” 다이오드에서 전류의 구성요소를 정하고, 누설 전류가 왜 바이어스의 영향을 받지 않는지를 알아본다; 정류기에의 응용을 공부함 • 도펀트 전하에 의한 공핍 정전용량과 이동 캐리어에 의한 확산 정전용량을 이해함 • 2차적 효과(고준위주입, 공핍영역에서의 생성-재결합, 직렬저항, 경사형 접합)를 이해함 • 진공준위, 전자친화력 및 일함수의 관점에서 금속-반도체 접합(쇼트키와 옴)과 이종접합을 공부함 Chap. 5. Junction

3. 5.1.1 열산화(SiO2공정 과정) Chap. 5. Junction

4. 5.1.1 열산화(SiO2공정 과정) Chap. 5. Junction

5. 5.1.1 열산화(SiO2공정 과정) Chap. 5. Junction

6. 5.1.2 공정에서의 확산 Chap. 5. Junction

7. 5.1.2 공정에서의 확산 Chap. 5. Junction

8. 5.1.3 급속 열처리 공정 Chap. 5. Junction

9. 5.1.3 급속 열처리 공정 Chap. 5. Junction

10. 5.1.4 이온주입법 Chap. 5. Junction

11. 5.1.4 이온주입법 Chap. 5. Junction

12. 5.1.4 이온주입법 Chap. 5. Junction

13. 5.1.4 이온주입법 Chap. 5. Junction

14. 5.1.5 화학기상증착 Chap. 5. Junction

15. 5.1.5-1 화학기상증착 Chap. 5. Junction

16. 5.1.5-1 화학기상증착 Chap. 5. Junction

17. 5.1.6 사진석판 Chap. 5. Junction

18. 5.1.6 사진석판 Chap. 5. Junction

19. 5.1.6 사진석판 Chap. 5. Junction

20. 5.1.6 사진석판 Chap. 5. Junction

21. 5.1.7 식각 Chap. 5. Junction

22. 5.1.7 식각 Chap. 5. Junction

23. 5.1.8 금속화 공정 Chap. 5. Junction

24. 5.1.8 금속화 공정 Chap. 5. Junction

25. 5.1.8 금속화 공정 Chap. 5. Junction

26. 5.2 평형상태 • p-n 접합(계단형 접합)의 성질을 조사 • 한쪽은 균일하게 p형으로 도핑되어 있고, 다른 한쪽도 균일하게 n형으로 도핑되어 있는 경우 를 말함. • 그러나 실제로는 확산형 접합으로써, 경사형. 즉농도의 분포가 다름을 뜻함. • 두 형태 물질 사이에서의 전위 차이에 대한 원인 및 전자적 성질에 대한 조사 • 평형상태 시, 외부적인 여기도 없고소자에 어떤 실질적인 전류도 없다. 즉, 평형상태의 경우 4가지 성분(전자, 정공의 표동과 확산)의 합 = 0 • 접합부 양쪽의 도핑의 차이가 이 두 가지 형태의 물질 간에 전위차를 생기게 한다. Chap. 5. Junction

27. 평형상태에서는 접합부를 가로질러서 실질적인 전류는 존재 할 수 없으므로, 내부전계 E에서의 케리어 표동에 의한 전류는 정확하게 확산전류를 소거해야 함. 5.2.1 접촉전위차 • 공핍폭 • V0를 접촉전위차라 하고, 이것은 내부 전위장벽으로서 접합에서의 평형이 유지되는 데 필요. Fig. 5-11 평형상태에서의 p-n접합의 성질: (a) 격분된 p형 및 n형 물질의 중성영역과 이 분리된 영역에 의한 에너지대역; (b) 전이영역 W에서의 공간전하; (c) 4가지 전류성분과 그 방향 Chap. 5. Junction

28. 5.2.1 접촉전위차 • V0와 양단의 도핑농도들과의 관계를 얻기 위해 표동전류와 확산전류의 식에서 평형에 대한 조건을 적용해야 함. • (식4-23) • (식4-25) • (식4-29) • : n-type에서의 정공농도 • : p-type에서의 정공농도 Chap. 5. Junction

29. 5.2.1 접촉전위차 • 접촉전위차, Vn-Vp=V0는 평형상태에서의 접합부 양쪽의 정공 농도의 항으로 표현 할 수 있음. • (식3-24) 평형조건 성립 시 접합부 양쪽의 전자농도를 포함하여 전개 Chap. 5. Junction

30. 5.2.2 평형 페르미 준위 • 평형상태에서는 PN접합에서 페르미 준위는 항상 일정하고, 여기서 접촉에너지 차 qV0의 크기를 결정하는 방법. • pn과 pp가 전이영역 밖에서의 평형상태에서의 값을 가진다고 가정하면 • (식3-19) 유효상태밀도 0 ; 접합부의 양쪽의 페르미 준위는 같게 됨을 의미. - 에너지의 차는 qV0임을 나타냄, - 바이어스가 인가되면 전위장벽은 이 접촉전위차의 값으로부터 높아지거나 낮아지며 접합부 양쪽의 페르미 준위들은 인가된 전압만큼 변화함. Chap. 5. Junction

31. 5.2.3 접합부의 공간전하 Fig. 5-12 Nd>Na일 때의 p-n접합 전이영역 내의 공간전하 및 전계분포(a) 금속학적 접합부를 x=0으로 정의한 전이영역 (b) 자유 캐리어를 무시한 전이영역 내의 전하밀도 • Charge 량 = 넓이 Chap. 5. Junction

32. 5.2.3 접합부의 공간전하 Fig. 5-12 Nd>Na일 때의 p-n접합 전이영역 내의 공간전하 및 전계분포(a) 금속학적 접합부를 x=0으로 정의한 전이영역 (c) 에 대한 기준방향을 임의의 +x방향으로 취했을 때의 전계분포 포아송 방정식 Approximation ≈ 0 (이 값이 상대적으로 매우 작기 때문에) 각각 적분하여 풀면, Chap. 5. Junction

33. 5.2.3 접합부의 공간전하 • 공핍폭(W)를 도핑 농도와 접촉전위차(V0)를 이용하여 구하는 방법. Fig. 5-12 Nd>Na일 때의 p-n접합 전이영역 내의 공간전하 및 전계분포(a) 금속학적 접합부를 x=0으로 정의한 전이영역 전하균형의 요건 : • (식4-25) Chap. 5. Junction

34. 5.3 순방향 및 역방향 바이어스된 접합부;정상상태 • 가 정 • p-n접합의 유용한 특징; 정류작용(rectifier) • 순방향 바이어스(forward bias) • p형 영역이 n형 영역에 대하여 상대적으로 양의 외부 전압 바이어스를 가질 때는 p형에서 n형 영역 쪽으로 매우 자유로이 전류가 흐름. • 역방향 바이어스(reverse bias) • p형 쪽을 n형 쪽에 대하여 상대적으로 음전위로 만들면 실질적으로 전류가 흐르지 않음. • 바이어스된 p-n 접합부는 전압가변(voltage-variable) 커패시터, 광전지, 광방출체 및 현대 전자공학의 기초를 이루고 있는 소자로 이용됨. Bias Chap. 5. Junction

35. 5.3.1 접합 전류유동의 정성적 기술 • 인가전압은 정전적 전위장벽, 따라서 전이영역 내의 전계를 변화시킴. • 접합부에서 확산 전류와 표동 전류 성분의 변화. • 에너지대역의 격차가 공핍영역의 폭과 더불어 인가된 바이어스에 의해 영향을 받게 됨 Fig. 5-13 p-n 접합에서의 바이어스 영향에 의한 전이 영역폭, 전계, 정전적 전위(장벽), 에너지대역도 그리고 W내에서의 입자의 흐름과 전류방향(a) 평형상태(b) 순방향 바이어스 (c) 역방향 바이어스 Chap. 5. Junction

36. 5.3.1 접합 전류유동의 정성적 기술 • 접합부에서 정전적 전위장벽 • 순방향 바이어스 Vf에 의해, 평형상태에서의 접촉전위차 V0로부터 보다 작은 값인 V0-Vf로 낮아짐. • 역방향 바이어스(V+Vr)에 대해서는 반대로 커짐. • 전이영역 내의 전계 • 순방향 바이어스일 때 외부로부터의 인가전계는 내부전계와는 반대방향이 되기 때문에 전계가 감소됨. 반대로 역방향 바이서스일 때는 전계가 증가함 • 에너지대역의 격차는 접합부의 정전적 전위장벽의 직접적인 함수임. • 전자에 대한 에너지장벽의 높이는 전자의 전하 q에 정전적 전위장벽의 높이를 곱한 것임. • 에너지대역들은 순방향 바이어스일 때는 [q(V0-Vf)]로 평형상태보다 덜 어긋나고, 역방향 바이어스일 때는 [q(V0+Vf)]로 더욱 어긋나게 된다. • 순방향 바이어스일 때 n형 쪽의 페르미준위 EFn은 EFp보다 에너지 qVf만큼 위에 존재 • 역방향 바이어스일 때 EFp가 EFn보다 qVr만큼 위에 존재. 전자볼트(eV)의 에너지단위로 한다면 이들 두 중성영역의 페르미준위는 인가전압(V)만큼 어긋나게 됨. Chap. 5. Junction

37. 5.3.1 접합 전류유동의 정성적 기술 • 확산전류(diffusion current) • 정상 상태의 확산 전류는 에너지 장벽을 넘어서 p형 쪽으로 확산하는 n형 쪽의 다수캐리어인 전자와 p형 쪽에서 n형 쪽으로 그들의 장벽을 넘는 정공들로 구성됨. • 순방향 바이어스가 인가될 때는전위장벽이 낮아지기 때문에 ,확산전류가 커짐 • 역방향 바이어스일 때는 에너지 장벽은 매우 크게(V0+Vr) 되어서 실질적으로는 어느 n형 쪽 전도대역의 전자나 p형 쪽 가전자대역의 정공은 에너지 장벽을 넘어갈 수 있는 충분한 에너지를 갖지 못함. • 따라서 확산전류는 역방향 바이어스일 때는 무시할 수 있음. Chap. 5. Junction

38. 5.3.1 접합 전류유동의 정성적 기술 • 표동전류(drift current) • 일반적으로 표동 전류는 전위장벽의 높이에 대하여 예민하지 않음. • 표동전류의 크기의 의존성은 캐리어가 얼마나 빠르게 이 장벽을 쓸려 내려가느냐가 아니라 오히려 얼마나 많은 캐리어가 빈번하게 장벽을 내려가느냐에 따라 결정됨. • 전류의 표동성분에 참여하는 데 필요한 접합 양쪽에서의 소수캐리어의 공급은 전자-전공쌍의 열적 여기에 의해 생성. • 접합을 횡단하는 생성된 캐리어들의 표동에 기인하여 생기는 전류는 그의 크기가 전적으로 EHP의 생성률에 따르므로 생성전류라고 하고 이 생성전류는 접합 부근의 광학적 EHP의 여기로써 증가시킬 수 있음. Chap. 5. Junction

39. 역방향 순방향 5.3.1 접합 전류유동의 정성적 기술 • 접합을 지나는 전체 전류= 확산전류 + 표동전류 • p-n 접합의 I-V특성 • 평형상태에서의 확산전류는 그 크기에 있어 |I(생성)|와 크기는 같고 방향은 반대이므로 전체전류는 0. • 순방향 바이어스가 인가되었을 때의 확산전류는 간단히 |I(생성)|exp(qV/kT)로 된다. 따라서 전체전류는 I=I0(eqV/kT-1) 으로 됨. • 역방향 바이어스가 인가되면 eqV/kT가 0에 접근하기 때문에 전체 전류는 -I0 (역방향 포화전류)으로 됨. Fig. 5-14 p-n 접합의 I-V특성 Chap. 5. Junction

40. 5.3.2 캐리어 주입 • 접합부를 가로지르는 캐리어 확산의 변화 때문에, 인가 전압에 따라 p-n접합부 양쪽에서의 소수 캐리어 농도가 변동됨. 평형상태에서의 각각의 정공농도의 비 • (식5-10) 바이어스에 따라 • (식5-7) Chap. 5. Junction

41. 5.3.2 캐리어 주입 • 과잉 캐리어 농도 = Xn0에서의 정공 농도 – 원래의 정공 농도 • 순방향 바이어스(V>0)일 때 전이영역의 n형 쪽 끝에서의 소수캐리어인 정공농도 p(xn0)가 평형상태일 때보다도 크게 증가됨을 암시. • 반대로 역방향 바이어스(V<0)일 때 정공농도 p(xn0)는 평형상태에서의 값 pn이하로 감소. Chap. 5. Junction

42. + V - 5.3.2 캐리어 주입 • 정공이 n형 영역으로 확산됨에 따라 정공은 n형 물질 내의 전자들과 재결합. • 과잉정공의 분포는 확산방정식의 해로서 얻어짐. • n형 물질의 길이가 정공의 확산거리 Lp에 비하여 길 때 과잉정공의 분포는 지수함수적으로 됨. (a) Fig. 5-15 순방향으로 바이어스된 접합:(a) 전이영역 양쪽에서의 소수캐리어 분포 및 전이영역 끝으로부터 측정한 거리 xn과 xp의 정의;(b) 위치에 따른 의사 페르미준위의 변화. (b) Chap. 5. Junction

43. 5.3.2 캐리어 주입 • 확산방정식으로부터 다이오드 방정식을 구하는 방법 • 접합부 양쪽에 대하여 확산방정식을 쓰고p형 및 n형 영역이 확산거리에 비해 길다고 가정한 과잉캐리어(δn과 δp)의 분포에 대한 식. • 식 4-36 • n형 물질 임의의 점 xn에서의 정공의 확산전류 • 식 4-22 • Pn은 상수이므로 미분시 0 Chap. 5. Junction

44. 5.3.2 캐리어 주입 • n형 물질 임의의 점 xn에서의 정공의 확산전류 Chap. 5. Junction

45. 5.3.2 캐리어 주입 : 다이오드 방정식(diode equation) 역방향 바어이스의 경우 V=-Vr로 놓아 계산 Vr이 수 kT/q 이상 크게 되면, 전체 전류는 역방향 포화전류가 됨. • 공핍영역에 순방향 바이어스가 걸린 경우의 캐리어 농도 : • 과잉 캐리어로 인하여 의사 페르미 준위가 벌어짐. Chap. 5. Junction

46. 5.3.2 캐리어 주입 Fig. 5-16 과잉 소수캐리어 분포로부터 접합의 전류의 계산하는 두번째 방법 (총 전하량으로부터 다이오드 방정식을 구하는 방법)(a) 전이영역 단면부에서의 전자 및 정공의 확산전류(b) 소수캐리어의 수명으로 나눈 분포되어 있는 전하의 농도.(c) 정공의 확산전류와 전자의 확산전류의 차에 의한 다이오드 방정식 Chap. 5. Junction

47. 5.3.2 캐리어 주입 Fig. 5-16 과잉 소수캐리어 분포로부터 접합의 전류의 계산하는 두 가지 방법(b) 소수캐리어의 수명으로 나눈 분포되어 있는 전하의 농도 Chap. 5. Junction

48. 5.3.2 캐리어 주입 Fig. 5-16 과잉 소수캐리어 분포로부터 접합의 전류의 계산하는 두 가지 방법(a) 전이영역 단면부에서의 전자 및 정공의 확산전류 (c) 정공의 확산전류와 전자의 확산전류의 차에 의한 최종 다이오드 방정식 • 식 4-34 Chap. 5. Junction

49. 5.3.2 캐리어 주입 Fig. 5-17 순방향 p-n접합에 흐르는 전류의 전자 및 정공 성분. 이 예에서는 p형 도핑농도보다 n형 도핑농도가 낮기 때문에 p형 쪽에 주입되는 소수캐리어 전자전류보다 n형 쪽에 있는 주입되는 소수캐리어 정공전류가 더 많다. Chap. 5. Junction

50. - V + p+ n (a) (b) 5.3.3 역방향 바이어스 • 역방향 바이어스에서 의사 페르미준위는 순방향 바이어스와는 반대의 의미로 분리. • 과잉캐리어가 존재하는 순방향 바이어스와는 달리, 평형상태보다 역방향 바이어스상태에서 더 적은 캐리어가 존재한다는 사실을 반영하듯이, Fn은 Ec로부터 더 멀어지고 Fp는 Ev로부터 멀어짐. Fig. 5-18 역방향 바이어스된 p-n 접합:(a) 역방향 바이어스된 접합 근처의 소수캐리어 분포(전류 이동의 주체는 소수 캐리어에 의해 이루어짐).(b) 의사 페르미준위의 변화. Chap. 5. Junction