p-n접합의 순방향 및 역방향 바이어스

접합 전류유동의 정성적 기술

 인가전압이 중성적인 n형 및 p형 영역에서보다는 오히려 접합부의 전이영역을 가로질러서 나타난다고 가정한다. 물론 이 중성적인 물질에서는 그곳을 통하여 전류가  흐르면 어떤 전압강하가 생길 것이다. 그러나 대부분의 p-n접합형 소자에서는 각 영역의 길이가 그의 면적에 비하여 작고 도핑은 보통 적절하게 고농도로 이루어져 있어, 각각의 중성역역에서의 저항은 작으며 공간전하영역 외에서는 작은 전압강하가 유지될 뿐이다. 거의 모든 계산에서 인가전압은 전적으로 전이영역을 가로질러서 나타난다고 가정하는 것이 타당하다. 외부 바이어스 전압이 n형 쪽에 대하여 p형 쪽이 양이 되는 경우 V를 양으로 취한다.

 인가전압은 정전적 전위장벽, 따라서 전이역역 내의 전계를 변화시키므로 그 접합부에서 전류의 여러 성분의 변화가 예상된다. 또 에너지대역의 격차가 공핍영역의 폭과 더불어 인가된 바이어스에 의해 영향을 받게 된다. 이 접합부에서 정전적 전위 장벽(electrostatic potential barrier)은 순방향 바이어스 Vf에 의해, 평형상태에서의 접촉전위차 Vo로부터 보다 작은 값 Vo-Vf로 낮아진다. 이 전위장벽의 저하는 순방향 바이어스(n형 쪽에 대해 p형 쪽이 양)가 n형 쪽에 대한 상대적인 p형쪽 정전적 전위를 높이기 때문이다. 역방향 바이어스에 대해서는 반대의 상태가 생긴다. 즉, p형 쪽의 정전적 전위가 n형 쪽에 대하여 상대적으로 낮아지고 접합에서의 전위장벽이 보다 크게 된다.

 전이영역 내의 전계(electric field)는 이 전위장벽으로부터 추론할 수 있다. 순방향 바이어스일 때 외부로부터의 인가전계는 내부전계 와는 반대방향이 되기 때문에 전계가 감소된다. 역방향 바이어스일 때 접합에서의 전계는 외부 인가전압으로 증가되며, 이 전압은 평형상태에서의 내부전계와 같은 방향이다.

 주어진 값의 전계E에 대해서는 역시 그의 적절한 수의 양,음전하가 노출되어야 하므로, 접합부에서의 전계의 변화는 전이영역폭 W가 감소되고, 또 역방향 바이어스일 때는 증가할 것이 예상될 것이다. 

 에너지대역의 격차는 접합부의  정전적 전위장벽의 직접적인 함수이다. 이 전자에 대한 에너지장벽의 높이는 간단히 전자의 전하q에 정전적 전위장벽의 높이를 곱한 것이다. 따라서 에너지대역들은 순방향 바이어스일 때는 q(Vo-Vf)로 평형상태보다 덜 어긋나고, 역방향 바이어스일 때는 q(Vo+Vf)로 더욱 어긋나게 된다. 각 중성영역 안쪽 깊게 있는 페르미 준위는 본질적으로 그들의 평형사태에서의 값이라 가정한다. 따라서 바이어스 상태에서 에너지대역의 상호편의는 이 접합 양쪽의 페르미준위가 어긋남을 의미한다. 순방향 바이어스일 때는 n형 쪽의 페르미 준위 Efn은 Efp보다 에너지 qVf만큼 위쪽에 있고, 역방향 바이서으일 때는 Efp가 Efn보다 qVrJ만큼 높다. 전자볼트(ev)의 에너지 단위로 한다면 이들 두 중성영역의 페르미 준위는 인가전압(V)만큼 어긋나게 된다.

 확산전류(diffusion current)는 이 퍼텐셜에너지 장벽을 넘어서 p형 쪽으로 확산하는 n형쪽의 다수캐리어인 전자와 p형 쪽에서 n형쪽으로 그들의 장벽을 넘는 정공들로 되어 있다. n형쪽 전도대역에서는 전자에 대한 에너지 분포가 있고, 또 이 분포의 높은 에너지 꼬리 부분에 있는 일부 전자는 이 전위 장벽에도 불구하고 평형상태에서 n형으로부터 p형으로 확산하는 데 충분한 에너지를 갖고있다. 그러나 순방향 바이어스일 때 이 장벽은 (Vo-Vf로)낮아지며 n형 쪽의 전도대역에 있는 더욱 많은 전자가 n형쪽에서 p형 쪽으로 보다 낮아진 장벽을 넘어서 확산하는 데 충분한 에너지를 갖는다. 따라서 순방향 바이어스 일때 전자의 확산전류는 매우 커질 수 있다. 비슷하게  하여 낮아진 장벽 때문에 순방향 바이어스일 때는 p형 쪽에서 n형 쪽으로 더 많은 정공이 확산될 수 있다. 역방향 바이어스일 때는 장벽은 매우 크게되어서 실질적으로는 어느 n형쪽 전도대역의 전자나 p형 쪽 가전자 대역의 정공들도 이것을 넘어갈 수 있는 충분한 에너지를 갖지 못한다. 따라서 보통 확산전류는 역방향 바이어시을 때는 무시할 수 있다. 

 표동전류(drft current)는 비교적 전위장벽의 높이에 대하여 예민하지 않다. 보통 많은 캐리어가 있는 물질에 관하여 생각하기 때문에 처음에는 이것이 이상하게 여겨지며, 따라서 표동전류는 단순히 인가전계에 비례할 것이 예상된다. 이 분명한 예외에 대한 이유는 표동전류가 캐리어가 얼마나 빠르게 이 장벽을 쓸려내려가느냐가 아니라 오히려 얼마나 빈번하게 장벽을 내려가느냐에 따라 제한된다는 사실에 있다. 예를 들어, 전이역역으로 헤메다 들어가는 p형 쪽의 소수캐리어인 전자는 전계 E에 의하여 장벽을 쓸려내려가서 표동전류의 전자성분을 생기게 한다. 그러나 이 전류는 그 장벽의 높이 때문에 작은 것은 아니며, 이에 참여하는 p형 쪽의 소수캐리어인 전자가 극히 작은 수이기 때문이다. 전이영역으로 확산하는 p형 쪽의 모든 전자는 이 퍼텐셜 에너지의 언덕이 크거나 작거나 간에 이것을 쓸려내려올 것이다. 즉, 전자의 표동전류는 개개의 전자가 얼마나 빠르게 p형 쪽에서 n형 쪽으로 쓸려가는가에 따르지는 않고, 도리어 매초당 몇 개의 전자가 이 장벽을 쓸려내려가는가에 따른다. 접합부의 n형 쪽에서 p형 쪽으로의 소수캐리어인 정공의 표동에 대해서도 비슷한 설명이 적용된다. 따라서 매우 근사적으로 전자와 정공의 표돈전류는 인가전압에 무관하게 된다.

 전류의 표동성분에 참여하는 데 필요한 접합 양쪽에서의 소수캐리어의 공급은 전자-정공쌍의 열적 여기에 의해 생기게 된다. 예를 들어, p형 쪽 접합 부근에서 생성된 EHP는 p형 물질에서의 소수캐리어인 전자를 공급해 준다. EHP가 전이영역의 확산거리 Ln 이내에서 생성 된다면 이 전자는 접합으로 확산하여 n형 쪽으로 그 전위장벽을 쓸려내려갈 수 있다. 접합을 횡단하는 생성된 캐리어들의 표동에 기인하여 생기는 전류는 그의 크기가 전적으로 EHP의 생성률에 따르므로 생성전류(generation current)라 한다.