2.3 확산 전류 (Diffusion)

2.3.1  확산 전류 (Diffusion Current)

 > 전류의 성분 중 드리프트 말고 확산 전류가 있다. 

 

 > 확산(Diffusion)은 높은 입자 농도 지점에서 낮은 지점으로 이동하는 현상이다. 

 

 > 확산에 의해 입자가 이동되는 비율은 농도 기울기에 비례한다. 

 

 > 반도체 내에 캐리어의 농도가 균일하지 않으면 확산이 발생하고 캐리어 농도 차이의 기울기에 비례하게 된다. 

 

 > 이를 수식화하면 식 1과 같다. 

 

식 1. Diffusion Current

 

 > q는 전하량 1.6x10^-19 C 이다. 

 

 > Dn, Dp는 전자, 정공의 확산 상수이다. 자세한건 2.5절에서 설명하도록 하겠다. 

 

 > 확산 상수가 클수록 확산은 빠르다. 

 

 > 정공의 확산 전류의 값이 (-) 음의 부호인 이유는 농도가 감소 (-)하는 방향으로 전류가 흐르기 때문이다. 

 

 > 전자와 전류의 흐름은 반대 (-), 전자 농도가 감소하는 방향으로 전자가 흐름 (-) 으로 확산 전류는 (-)*(-) = (+). (그림 1)

 

> 정공과 전류의 흐름으 같음 (+), 정공이 감소하는 방향으로 정공이 흐름 (-)으로 확산 전류는 (-)*(+) = (-). (그림 1)

 

그림 1. Diffusion current flow of the electrons and holes

 

 > 전류 밀도는 드리프트와 확산이 모두 작용하므로 둘이 더한 것과 같다. (식 2)

 

식 2. Current Density

 

 

2.2.1 Diffusion Current

 

 > Alongside the drift component, another contributor to current is the diffusion current.

 

 > Diffusion involves the movement of particles from areas of high concentration to low concentration.

 

 > The pace of particle movement is directly proportional to the concentration gradient.

 

 > If carrier concentration in the semiconductor isn't uniform, diffusion occurs, linked to the gradient of carrier concentration differences.

 

 > This relationship is captured in Equation 1

Equation 1. Diffusion Current

> q is the charge of 1.6 x 10^-19 C.

> Dn and Dp are diffusion constants of electrons and holes. The details will be explained in Section 2.4.

> The larger the diffusion constant, the faster the diffusion.

 

 > The negative sign (-) in the hole's diffusion current value signifies that the current flows in the direction where concentration decreases.

 

 > Since electrons and current flow in opposite directions, the flow of electrons corresponds to a decrease in electron concentration, leading to a diffusion current that is the product of two negative signs, resulting in a positive value (+) (Figure 1).

 

 > Conversely, the diffusion current for holes is the product of a negative sign (-) and a positive sign (+), resulting in a 

 

Figure 1. Diffusion current flow of the electrons and holes

 

 > The total current density is the sum of both drift and diffusion currents (Equation 2)

Equation 2. Current Density

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)