다음 그림은 열평형 상태의 PN 접합을 나타낸 것이다. PN 접합에 대한 공간전하밀도 , 전계 , 전위 및 에너지() 대역도 중 옳지 않은 것은?
2023년 국가직 9급 전자공학개론 16번
2023년도 시행 • 16번 문항
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정답: 3번
■ 1단계: 열평형 상태 PN 접합의 공간전하 및 전계 분포
• 공간전하밀도 $\rho(x)$:
p영역 측 공핍층에는 음이온($-qN_a$)이, n영역 측 공핍층에는 양이온($+qN_d$)이 형성됩니다. (①번 옳음)
• 전계 $\mathcal{E}(x)$:
양의 공간전하(n영역)에서 음의 공간전하(p영역) 방향, 즉 $-x$ 방향으로 내부 전계가 형성되므로 $\mathcal{E}(x)$는 음(-)의 값을 가지며 접합면($x=0$)에서 최댓값을 갖는 삼각형 분포가 됩니다. (②번 옳음)
■ 2단계: 전위 $\phi(x)$ 및 에너지 대역도 $E(x)$ 판별
• 전위 $\phi(x)$:
전계와 전위의 관계는 $\mathcal{E}(x) = -\frac{d\phi(x)}{dx}$입니다.
n영역이 p영역보다 내장 전위 $V_{bi}$만큼 더 높은 전위를 가져야 하므로, $\phi(x)$ 곡선은 p측($x < 0$)에서 낮고 n측($x > 0$)에서 높은 우상향 형태여야 합니다.
제시된 ③번 그래프는 p측이 높고 n측이 낮은 형태로 전위 분포가 반대로 표기되어 옳지 않습니다.
• 에너지 대역도 $E(x)$:
전자 에너지 $E = -q\phi$이므로 전위 곡선과 상하 반전된 형태가 되어 p측이 높고 n측이 낮은 에너지 준위를 갖게 됩니다. (④번 옳음)
■ 최종 결과:
• 옳지 않은 것은 ③번
• 공간전하밀도 $\rho(x)$:
p영역 측 공핍층에는 음이온($-qN_a$)이, n영역 측 공핍층에는 양이온($+qN_d$)이 형성됩니다. (①번 옳음)
• 전계 $\mathcal{E}(x)$:
양의 공간전하(n영역)에서 음의 공간전하(p영역) 방향, 즉 $-x$ 방향으로 내부 전계가 형성되므로 $\mathcal{E}(x)$는 음(-)의 값을 가지며 접합면($x=0$)에서 최댓값을 갖는 삼각형 분포가 됩니다. (②번 옳음)
■ 2단계: 전위 $\phi(x)$ 및 에너지 대역도 $E(x)$ 판별
• 전위 $\phi(x)$:
전계와 전위의 관계는 $\mathcal{E}(x) = -\frac{d\phi(x)}{dx}$입니다.
n영역이 p영역보다 내장 전위 $V_{bi}$만큼 더 높은 전위를 가져야 하므로, $\phi(x)$ 곡선은 p측($x < 0$)에서 낮고 n측($x > 0$)에서 높은 우상향 형태여야 합니다.
제시된 ③번 그래프는 p측이 높고 n측이 낮은 형태로 전위 분포가 반대로 표기되어 옳지 않습니다.
• 에너지 대역도 $E(x)$:
전자 에너지 $E = -q\phi$이므로 전위 곡선과 상하 반전된 형태가 되어 p측이 높고 n측이 낮은 에너지 준위를 갖게 됩니다. (④번 옳음)
■ 최종 결과:
• 옳지 않은 것은 ③번