EL 장비를 통해 LED 샘플의 L-I-V 값들을 엑셀 파일로 추출하였습니다.
위 데이터를 Origin 프로그램을 통해 이쁘게 plot 할 수 있습니다. 다만 다음과 같은 불편함이 발생했습니다.
- 데이터 해석은 수작업으로 진행을 해야 합니다.
- 대량의 데이터 확인 시, 시간이 많이 소모됩니다.
위 불편함을 해결하기 위해, 다음과 같은 프로그램을 제작했습니다.
1) 프로그램 상에서 자동으로 측정 데이터 해석
2) Batch식으로 진행, 대량 데이터 확인 용이
파이썬을 이용하여 측정 데이터를 시각화, 분석, 업무 자동화까지 진행하였습니다.
이에 실험에 있어 빠른 일처리 및 입맛에 맞게 Chip을 필터링하기 위해 위 프로젝트를 진행하였습니다.
* Tkinter, Matplotlib, Pandas, math를 사용하였습니다. 알고리즘이 꽤 어렵습니다.
* 프로그램 수정, 제작 문의 가능합니다. 홈페이지의 데이터를 가져오는 것까지 응용할 수 있습니다.
* 이번 포스팅은 Diode Electrical Properties에 대해 개념 위주로 설명해 드리겠습니다. 프로그램 제작에 관심이 없으시다면, 개념 파트부터 읽어주세요. VD, Vth, Eg, Vop, VF1, VF2, VF3, Ir 등에 대해 자세하게 배웁니다.
* MOSFET 문턱전압에 대해 정확한 개념을 차근 차근 공부하실 분은 아래 링크를 클릭해주세요.
2023.02.02 - [반도체 공학/반도체 소자 이론] - 반도체 물성과 소자) MOS Capacitor와 문턱전압
프로그램
저는 다음과 같은 2개의 프로그램을 만들었습니다.
1. Chip spec Feedback Program
- VF1, VF2, VF3, Ir의 Chip Spec Target을 정하고, Sample을 측정합니다.
- 측정된 엑셀 파일을 불러오면, I-V curve와 SubThreshold 부분을 확대한 그래프를 보여줍니다.
- 계산 혹은 측정된 VF1, VF2, VF3, Ir, Vop 값을 보여준 후, chip spec에 대해 feedback을 해줍니다.
2. 측정 자동화 프로그램
- VF1, VF2, VF3, Ir의 Chip Spec Target을 정합니다.
- 여러 측정 엑셀 파일을 불러옵니다.
- chip 조건에 해당되는지 판별하고, 판별 결과를 다시 엑셀로 저장해서 보여줍니다.
동영상은 위 두 프로그램의 실행과정을 보여줍니다.
Diode Electric Properties
Diode는 PN Junction으로 이루어져 있지요.
이번 포스팅에서 GaN Sample을 기반으로 개념을 설명해 드리겠습니다.
* 에너지 밴드 관련 내용을 잘 모르시다면, 아래 포스팅을 한번 읽고 오시는 것을 추천해 드립니다.
2022.10.25 - [반도체 공학/반도체 소자 이론] - 반도체 물성과 소자) 8. PN junction (Energy band 그림)
Zero Bias
VD(확산 전압) : 전기를 흐르게 해주는 초기 전압으로, 자유 캐리어가 반대 전도층까지 도달하기 위해 이겨내야 할 에너지 장벽을 말합니다.
* Space charge Region으로 인해 캐리어가 넘어야 할 에너지 장벽이 형성되었습니다.
Zero Bias에서 PN 접합 시 에너지 밴드 다이아그램입니다.
p형 반도체에서 EF가 EV와 매우 가까이 있습니다.
n형 반도체에서 EC와 EF가 매우 가까이 있습니다.
이 거리들을 0으로 가정하면, 전자가 느끼는 Energy 장벽은 3.4eV, 즉 GaN의 Energy Bandgap과 같은 값을 가집니다.
확산 전압 계산
위 반도체에서, 1V의 에너지 장벽이 있음을 확인할 수 있습니다.
실제 VD는 Energy Bandgap보다 작습니다. 가정한 것과 달리 Ec와 Ef, Ev와 Ef의 거리가 0이 아니기 때문입니다.
(양 반도체에 도핑량이 커지면 커질수록 0에 가까워지긴 하지만요.)
따라서, 작동전압을 통해 에너지 밴드갭을 유추합니다.
Vop(작동전압) : 20mA에서의 작동전압입니다.
Eg/e(밴드갭 전압) : 해당 Energy Bandgap에서 e를 나눈 전압입니다. 이 값은 Vop(작동전압)와 거의 같습니다.
Forward Bias
Forward Bias에서 PN 접합 시 에너지 밴드 다이아그램입니다. 에너지 밴드갭 정도의 순방향 전압을 가하면 에너지 장벽이 없어져 전류가 잘 흐르게 됩니다.
Vth(문턱전압)
Diode의 I-V curve를 함수로 표현한 식을 Schockley Equation이라고 합니다. 해당 parameter만 알아도 I-V curve가 역으로 그려질 수 있습니다.
Vth(문턱전압) : I-V curve에서 전류가 급격히 증가하는 전압입니다.
즉, Vth와 VD의 값은 거의 동일합니다. 단지 I-V curve에서 도출했는지, Energy Band diagram에서 도출했는지의 차이입니다.
다시 결과를 도출하면, Voltage 간 관계는 다음과 같습니다.
Vth = VD <= Vop = Eg/e (질화물 반도체인 경우 Vop와 Eg/e의 값이 조금 크게 달라지게 됩니다. )
변형된 Schockley Equation
Schockley Equation은 pn junction의 이론적인 I-V 특성을 나타냅니다.
하지만, 실제 소자는 다양한 요인들로 인해 저항이 발생하여 이론적인 I-V curve가 나올 수 없습니다.
따라서 modify Schockley Equation와 Schockley Equation를 matching 시켜, Rs, Rp, n 값을 구하면 문제점을 파악할 수 있게 됩니다.
Rs(Parasitic Series Resistance) : 계면에서 수직으로 발생하는 직렬 저항값입니다.
Rs가 클 경우, Epi 공정에서 문제가 있음을 파악할 수 있습니다.
- Neutral 영역의 저항에 의해 발생합니다. 도핑량이 적으면 저항값은 올라갑니다.
- 접촉저항에 의해 발생합니다. 금속과의 접촉저항 및 접합 계면의 접촉저항에서 발생합니다.
Turn on 이후 I-V curve의 기울기를 통해 측정 가능합니다. 저항이 커질수록 기울기가 감소합니다.
Rp(parasitic Parallel Resistance : 계면에서 수평으로 발생하는 병렬 저항값입니다.
p-n 접합을 우회하여 leakage 발생하지요.
Rp가 클 경우, Epi 공정 혹은 FAB 공정에서 문제가 있음을 파악할 수 있습니다.
- p-n 접합의 damaged region에 의해 발생합니다. (Epi 문제)
- Surface imperfection에 의해 발생합니다. 표면에 이물질이 있거나 전기가 잘 흐르는 물질로 인해 발생합니다. (FAB 문제)
Turn on 이전 I-V curve의 기울기를 통해 측정 가능합니다. 저항이 커질수록 Vth 이전에 생기는 누설전류가 증가하게 됩니다.
이러한 현상을 Subthreshold Turn on이라고 합니다.
- 벌크 반도체에서 결함과 관련된 deep level을 거쳐 캐리어가 transport 할 때 발생합니다. (FAB 문제)
- 표면 준위를 통해 캐리어가 transport 할 때 발생합니다. (FAB 문제)
참고
Reverse Bias에서 I-V curve 데이터에 영향을 주는 것 : Rp
Forward Bias에서 I-V curve 데이터에 영향을 주는 것 : Rp > Rs로 영향력 바뀜
Ideal diode I-V의 Critical Point
각 회사마다 chip의 spec을 정하여 양품과 불량품을 선별합니다.
어느 정확한 부분이 Vth인지를 명확히 구분할 수 없으며, 회사는 양품과 불량품을 더 세분하게 선별하기 원합니다.
따라서 VF1, VF2, VF3, Ir 등의 Critical point를 도입하여 제품을 평가합니다.
해당 조건들은 회사마다 다르기 때문에 그 점 유의하셔서 공부를 진행하시면 됩니다.
VF1 : 350mA에서의 전압(조건은 바뀔 수 있음)
VF1은 turn on 이후 직렬저항값을 확인할 수 있는 좋은 수치입니다. 즉, 고전류에서의 전압이지요.
이 값은 작을수록 좋습니다.
VF2 : 10uA에서의 전압(조건은 바뀔 수 있음)
VF2은 turn on 이전 병렬저항 값을 확인할 수 있는 좋은 수치입니다. 즉, leakage current를 확인할 수 있지요.
이 값은 커질수록, 즉 VF1과 가까울수록 누설전류가 거의 없다는 뜻으로 해석됩니다.
VF3: 1uA에서의 전압(조건은 바뀔 수 있음)
VF3은 turn on 이전 병렬저항 값을 확인할 수 있는 좋은 수치입니다.
이 값은 커질수록, 즉 VF1, VF2와 가까울수록 누설전류가 거의 없다는 뜻으로 해석됩니다.
Ir : -5V에서의 전류(조건은 바뀔 수 있음)
Ir은 역방향에서 누설전류를 확인할 수 있는 좋은 수치입니다.
이 값은 작을수록, 그만큼 누설전류가 없다는 걸 보여줍니다.
따라서, 이 모든 내용을 응용하여 다음과 같은 프로그램을 제작할 수 있습니다.
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