<PN diode> 6. 순방향전압(forward bias)가 인가 되었을 때 확산 커패시턴스(diffusion capacitance)

이번 포스팅에서는 forward bias가 인가 되었을 때 발생하는 확산 커패시턴스에 대해서 알아볼 것이다.

또한, 지난 포스팅에서 알아본 depletion 커패시턴스와 비교하며 함께 고려해볼 것이다.

 

 

Depletion Capacitance

먼저 지난 포스팅에서 reverse bias가 인가되면 PN junction에 생기는 capacitor 특성에 대하여 알아보자.

 

PN junction에 reverse bias가 인가되면 

neutral 영역은 전극역할, depletion영역은 전류는 흐르지 않고 전기장만 흐르는 절연체 역할을 해 PN junction이 커패시터와 같은 역할을 한다고 했다. 

이때 depletion 영역의 커패시턴스는

또 이때 depletion 영역의 width는 

reverse bias가 인가되면 W는 커지고 이때 커페시턴스는 줄어든다.

커패시턴스는 인가된 bias 제곱근에 반비례함을 알 수 있고 비례 관계를 그래프로 나타내면 아래와 같다.

사진 출처 :&nbsp;Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

 

 

Diffusion Capacitance

PN junction에 forward bias가 인가되면

depletion width이 줄어든다. 그리고 electron과 hole들이 depletion 영역을 넘어 반대쪽으로 건너간다. 이런 forward bias상황에서는 전류의 흐름이 발생하기 때문에, 일반적인 평판 커패시턴스의 전류가 흐르지 않고 전기장만 형성되는 상황과는 다르다.

PN junction에 AC bias를 인가하게 되면 neutral 영역의 minority carrier 농도가 변하게 된다. 즉 원래 점선과 같은 농도를 가지고 있다가 요동치는 bias를 인가하게 되면 농도가 위,아래로 움직이게 되고 minority carrier가 형성하는 charge에 양도 변화가 생긴다. Diffusion Capacitance는 이러한 전압에 변화에 따른 Capacitance 성분을 정의한 것이다.

 

사친 출처 :&nbsp;Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

diffusion capacitance의 경우 AC전압에 따른  charge에 변화량이고 이때 charge는 hole, electron에 의한 charge이다.

위 식 우변에 왼쪽 식은 electron에 의한 charge에 변화량 오른쪽 식은 hole에 의한 charge에 변화량에 해당한다.

위 식을 정리할 수 있지만 계산이 복잡하기 때문에 간단히 결과만 보면 

minority carrier는 <PN Diode>4에서 배운것과 같이  saturation current에 영향을 미치기 때문에 위와 같은 결과를 얻을 수 있다. 또한 forward bias에 exponential하게 비례한 것을 알 수 있다. 

 

Depletion Capacitance + Diffusion Capacitance

이제 전체 PN diode에서 발생하는 커패시턴스 성분을 생각해 보면 reverse bias에서 depletion에 발생하는 커패시턴스와 forward bias에서 minority carrier의 농도 변화에 따른 diffusion 커패시턴스가 동시에 존재하게 된다. 

reverse bias가 인가되면 건너간 excess carrier가 존재하지 않기 때문에 존재하지  diffusion 커패시턴스는 존재하지 않고, 오직 depletion 커패시턴스만 존재한다.

forward bias 인가되면  depletion width 가 줄어든다. 이때 depletion 커패시턴스도 증가하게 되지만 diffusion 커패시턴스보다 증가 폭이 크지 않다. diffusion 커패시턴스의 경우 가해진 bias에  exponential하게 증가하기 급격히 증가한 그래프를 볼 수 있다. 

PN diode에는 두 커패시턴스 성분이 벙렬로 연결되어 있기 때문에 전체 커패시턴스 성분은 두 성분을 합친 것이 된다.

 

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작성자: 김현수 / 수정 및 검토: 손동휘, 이현우