4. 접합과 다이오드

모든 접합은 페르미 준위를 기준을 접합된다.

금속과 n형 반도체 간의 접합을 Schottky 접합이라 한다.
전자가 금속에서 반도체로 이동하며 위치 에너지 장벽이 형성되고
결과적으로 공핍영역이 생기고 반도체의 밴드는 휘어지게 된다.
이때 위치 에너지 장벽은 $\Phi_{B}=\Phi_{m}-\chi = eV_{0}+(E_{c}-E_{Fn})$로 표현된다.
($eV_{0}=\Phi_{m}-\Phi_{n}$)

순방향 바이어스를 걸면 내부장벽이 낮아져 반도체에서 금속으로 전자가 흐르지만
역방향 바이어스를 걸면 장벽이 높아져 넘기 힘들다. 일부 역방향 전류가 흐른다.

반대로 n형 반도체보다 더 작은 일함수를 갖는 금속과 접합을 이룰 때
전류의 흐름을 제한하지 않는 저항성 접촉이 형성된다.

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p형 반도체와 n형 반도체의 pn접합으로 형성된 반도체를 다이오드라 한다.
한 쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자다.

이상적인 pn 접합에서 농도차에 의해 정공과 전자가 접합면으로 확산되고
야금 접합 부근에서 재결합도어 공핍층이 형성되며 평형까지 내부 전계가 발생한다.

순방향 바이어스는 과잉 소수운반자 주입으로 공핍영역을 좁히고 내부 전위를 감소시킨다.
따라서 전위장벽을 넘어 확산될 확률이 높아져 전류가 흐르게 된다.

역방향 바이어스는 SCL을 넓혀 전위장벽이 높아진다.
공핍영역에서 열생성으로 인해 작은 역포화 전류가 흐른다.

하지만 역방향 전압은 무한히 증가시킬 수 없다.
역방향 전압이 일정 수준 이상 증가하면 전계로 가속되는 유동 전자가
결정의 구성 원자와 충돌하여 원자를 이온화시키는 충돌 이온화 현상이 발생한다.
이로 인해 SCL에서 EHP가 생성되고 역방향 전류가 크게 증가하는 사태 항복이 발생한다.

높게 도핑된 pn 접합의 경우 좁은 공핍층을 가져 큰 전계를 유발한다.
역방향 전압을 인가하면 n type의 전도대가 p type의 가전자대보다 낮아져
p type의 가전자대에서 n type의 전도대로 전자가 쉽게 터널링할 수 있다.
즉, 강한 전계 힘이 결정의 전자를 떼어내 전류가 발생하는 제너 효과가 일어난다.

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LED는 pn⁺ 접합 다이오드를 이용한다.

순방향 바이어스를 인가하면 EHP 재결합으로 빛이 방출된다.
npp⁺의 이질접합 다이오드의 경우 빛의 흡수를 막고 부족한 정공을 채우는 효과를 가진다.

양자우물 소자는 매우 얇은 층의 작은 밴드갭을 가진 반도체 양쪽을
큰 밴드갭을 가진 반도체가 감싼 구조로 양자우물에서 전자와 정공이 재결합하도록 유도한다.

밴드갭을 조절하여 빛의 파장을 조절할 수 있다.

LED와 정반대의 원리가 태양전지다.
n⁺p 접합으로 흡수된 빛이 p에서 EHP를 형성하고 전압과 전류를 발생시킨다.