1 Chapter 2 Basic Physics of Semiconductors  2.1 Semiconductor materials and their properties  2.2 PN-junction diodes  2.3 Reverse Breakdown

CH2 Basic Physics of Semiconductors2 Semiconductor Physics  Semiconductor device 는 microelectronics 의 심장  PN junction 은 가장 기본적인 semiconductor device.

CH2 Basic Physics of Semiconductors3 Charge Carriers in Semiconductor  PN junction 의 IV 특성을 이해하려면, 고체에서의 charge carrier 의 특성, carrier 농도의 변경 및 전하의 흐름을 이해하는 것이 중요

CH2 Basic Physics of Semiconductors4 Periodic Table  3-5 원자가 전자를 가진 원소를 포함 (Si 가 제일 중요 )

CH2 Basic Physics of Semiconductors5 Silicon  Si 은 4 개의 원자가 전자를 가짐  이웃하는 4 개의 원자와 함께 공유결합  온도가 올라가면, 공유결합의 전자들이 자유로울 수 있음.

CH2 Basic Physics of Semiconductors6 Electron-Hole Pair Interaction  공유결합을 깨는 전자로 인하여 hole 생성  Hole 은 다른 전자를 흡수하여 채울 수 있고, 역으로 관찰하면 양의 전하의 움직임으로 간주할 수 있음.

CH2 Basic Physics of Semiconductors7 Free Electron Density at a Given Temperature  E g (bandgap energy) 가 공유결합으로부터 전자를 분리하기 위하여 필요로 하는 노력을 결정  bandgap energy 와 자유전자 밀도 사이에는 지수함수 관계 Si 은 5×10 22 atoms/cm 3

CH2 Basic Physics of Semiconductors8 Doping (N type)  순수한 Si 는 다른 원소로 인하여 doping 되면 전기적인 성질이 바뀜  Si 이 P (phosphorous) 로 doping 되면, 전자가 더 많아지고 type N (electron) 이 됨.

CH2 Basic Physics of Semiconductors9 Doping (P type)  Si 이 B (boron) 로 도핑되면, hole 이 많고 type P 가 됨

CH2 Basic Physics of Semiconductors10 Summary of Charge Carriers

CH2 Basic Physics of Semiconductors11 Electron and Hole Densities  전자와 정공의 밀도의 곱은 doping 수준과 관계 없이 ALWAYS 진성 전자 밀도의 제곱과 같음 Majority Carriers : Minority Carriers : Majority Carriers : Minority Carriers :

CH2 Basic Physics of Semiconductors12 First Charge Transportation Mechanism: Drift  전하를 띤 입자가 전기장 때문에 움직이는 과정을 drift 라 함  속도는 전기장에 비례함

CH2 Basic Physics of Semiconductors13 Current Flow: General Case  전하가 속도 v 로 움직일 때, 전류는 단면을 v-meter 로 통과하는 전하의 양으로 계산

CH2 Basic Physics of Semiconductors14 Current Flow: Drift  J ( 전류밀도 )= 전류 / 단면적  v =  E  J tot 은 전자와 Hole 다 포함해야

CH2 Basic Physics of Semiconductors15 Velocity Saturation  속도 포화를 고려해야  실제로는 어떤 값으로 포화

CH2 Basic Physics of Semiconductors16 Second Charge Transportation Mechanism: Diffusion  전하를 띤 입자는 고농도 지역  저농도 지역으로 이동

CH2 Basic Physics of Semiconductors17 Current Flow: Diffusion  확산전류 (Diffusion current) 는 전류의 방향을 따라 gradient of charge (dn/dx) 에 비례  전체 전류밀도는 전자와 hole 로 이루어짐

CH2 Basic Physics of Semiconductors18 Example: Linear vs. Nonlinear Charge Density Profile  선형 전하밀도는 상수 확산전류를, 비선형 전하밀도는 변동하는 확산전류를 나타냄

CH2 Basic Physics of Semiconductors19 Einstein's Relation  Drift 전류와 확산전류의 관계

CH2 Basic Physics of Semiconductors20 PN Junction (Diode)  N-type 과 P-type 반도체가 서로 연결되면 PN junction 또는 diode 가 만들어짐.

CH2 Basic Physics of Semiconductors21 Diode’s Three Operation Regions  Diode 를 이해하기 위하여, 세 동작 영역을 이해해야  평형, 역방향 및 순방향 bias

CH2 Basic Physics of Semiconductors22 Current Flow Across Junction: Diffusion  Junction 의 각 side 는 다른 side 에 비하여 전자 또는 hole 이 과잉이므로, 큰 밀도 ( 농도 ) 변화가 있음. 그러므로, 각 side 로부터 junction 을 통과하는 확산전류 발생.

CH2 Basic Physics of Semiconductors23 Depletion Region  자유전자와 hole 이 junction 을 거쳐 확산되므로, 고정이온 ( 속박이온 ) 이 남게 됨  “depletion region”: 공핍영역

CH2 Basic Physics of Semiconductors24 Current Flow Across Junction: Drift  공핍영역에서의 고정이온은 전기장을 생성  drift 전류 발생시킴

CH2 Basic Physics of Semiconductors25 Current Flow Across Junction: Equilibrium  평형상태에서는, 한 방향으로 흐르는 drift 전류가 다른 방향으로 흐르는 확산전류를 상쇄  전체 전류 = 0  그림은 PN junction 의 전하 분포를 나타냄

CH2 Basic Physics of Semiconductors26 Built-in Potential  Junction 상에서의 전기장 때문에, built-in 전위 발생.

CH2 Basic Physics of Semiconductors27 Diode in Reverse Bias  Diode 의 N-type 영역이 P-type 영역보다 높은 전위에 연결되면, diode 는 역방향 bias  더 넓은 공핍영역, 더 높은 built-in 전기장 생성

CH2 Basic Physics of Semiconductors28 Reverse Biased Diode’s Application: Voltage- Dependent Capacitor  PN junction 은 capacitor 로 볼 수 있음. V R 을 바꾸면 공핍폭이 바뀌고, 결국 capacitance 값을 바꿈 ; 그래서, PN junction 은 실제로 voltage-dependent capacitor 임.

CH2 Basic Physics of Semiconductors29 Voltage-Dependent Capacitance  전압 -dependent capacitance 를 나타내는 방정식

CH2 Basic Physics of Semiconductors30 Voltage-Controlled Oscillator  A very important application of a reverse-biased PN junction is VCO, in which an LC tank is used in an oscillator. By changing V R, we can change C, which also changes the oscillation frequency.

CH2 Basic Physics of Semiconductors31 Diode in Forward Bias  Diode 의 N-type 영역이 P-type 영역보다 낮은 전위에 있으면, Diode 는 순방향 bias.  공핍폭은 좁아지고 built-in 전기장은 낮아짐

CH2 Basic Physics of Semiconductors32 Minority Carrier Profile in Forward Bias  순방향 bias 조건에서는, built-in field/potential 의 감소로 인하여 양쪽 영역에서 소수 carrier 가 증가  확산전류는 이러한 소수 carrier 를 공급하기 위하여 증가

CH2 Basic Physics of Semiconductors33 Diffusion Current in Forward Bias  소수 carrier 를 공급하기 위한 확산전류의 증가에 대한 증명

CH2 Basic Physics of Semiconductors34 Minority Charge Gradient  소수 전하는 x- 축 상에서 일정하지 않아야 함 ; 그렇지 않으면 농도 기울기가 없고 확산전류가 없을 것임  소수 carrier 와 다수 carrier 의 Recombination 은, P 나 N 영역으로 깊이 들어갈 때 소수 carrier 의 하락을 설명함.

CH2 Basic Physics of Semiconductors35 Forward Bias Condition: Summary  순방향 bias 에서는, there are large diffusion currents of minority carriers through the junction. However, as we go deep into the P and N regions, recombination currents from the majority carriers dominate. These two currents add up to a constant value.

CH2 Basic Physics of Semiconductors36 IV Characteristic of PN Junction  The current and voltage relationship of a PN junction is exponential in forward bias region, and relatively constant in reverse bias region.

CH2 Basic Physics of Semiconductors37 Parallel PN Junctions  Since junction currents are proportional to the junction’s cross-section area. Two PN junctions put in parallel are effectively one PN junction with twice the cross-section area, and hence twice the current.

CH2 Basic Physics of Semiconductors38 Constant-Voltage Diode Model  Diode operates as an open circuit if V D < V D,on and a constant voltage source of V D,on if V D tends to exceed V D,on.

CH2 Basic Physics of Semiconductors39 Example: Diode Calculations  This example shows the simplicity provided by a constant- voltage model over an exponential model.  For an exponential model, iterative method is needed to solve for current, whereas constant-voltage model requires only linear equations. for

CH2 Basic Physics of Semiconductors40 Reverse Breakdown  When a large reverse bias voltage is applied, breakdown occurs and an enormous current flows through the diode.

CH2 Basic Physics of Semiconductors41 Zener vs. Avalanche Breakdown  Zener breakdown is a result of the large electric field inside the depletion region that breaks electrons or holes off their covalent bonds.  Avalanche breakdown is a result of electrons or holes colliding with the fixed ions inside the depletion region.