【전자회로 기본Ⅰ】 6강 - 다이오드의 동작원리

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지난 5강에서는 n형 반도체와 p형 반도체에 대하역 학습하였음

순수한 반도체인 진성 반도체는 실리콘 외부에 전압을 걸어도 전류가 흐르지 않기 때문에 이를 해결하기 위해 도핑을 함

도핑이란 원자가띠에 3개 도는 5개의 전자가 있는 불순물을 첨가함으로써 전자나 정공의 수를 인위적으로 조절하는 방법임

이때 +3가 불순물이 첨가될 경우 p형 반도체가 되고 +5가 불순물이 첨가될 경우 n형 반도체가 됨

반도체에 전류가 흐를 때 대부분의 전류 흐름을 만들어 내는 잉여전자와 정공을 다수 반송자, 소수의 흐름을 만들어 내는 것을 소수 반송자라고 함

https://nate0707.tistory.com/104

【전자회로 기본Ⅰ】 5강 - n형과 p형 반도체

 

1. pn 접합

 

pn 접합이란 실리콘에 +3가를 도핑한 p형 반도체와 실리콘에 +5가를 도핑한 n형 반도체를 붙여놓은 것

이러한 pn 접합은 다이오드의 기본 구조를 나타냄

 

p형 영역 : 다수 반송자인 정공과 소수 반송자인 자유전자가 공존

n형 영역 : 다수 반송자인 전자와 소수 반송자인 정공이 공존

 

pn 접합

 

- 공핍층

 

접합부분은 n형 반도체의 전자와 p형 반도체의 정공의 결합으로 공핍층이 만들어지고, 바이어스를 인가하는 방향에 따라서 공핍층의 두께가 달라짐

 

# 공핍층의 정의

 

접합이 이루어지기 전에는 각 반도체 내에는 다수캐리어와 불순물(도너 또는 억셉터) 이온이 같은 수로 있어 전기적으로 중성

접합이 이루어진 후에는 접합면 부근 다수캐리어들(전자와 정공)이 재결합을 이루며 소멸하여, 그 부분에는 이온들만 존재하게 되므로 전기적 중성이 깨지게 됨

이렇게 다수캐리어들이 재결합으로 소멸한 접합면 부근의 영역을 공핍층(depletion layer, 다수캐리어가 없어졌으므로)이라고 부름

결과적으로 전기적 중성이 깨져서 전하를 띠게 되므로 공간전하영역(space charge layer)이라고도 부르기도 함

 

# 공핍층의 형성과 표동

 

P형 반도체 영역의 공핍층은 다수캐리어인 정공이 있어야 중성인데, 자유전자가 유입되면서 정공의 자리를 차지하게 되면서 전기적으로 중성에서 음이온으로 바뀌게 됨

반대로 N형 반도체는 자유전자가 빠져 나가 양이온이 됨

이때 공핍층에선 음이온과 양이온의 발생으로 전계가 형성되는데, 이를 전위장벽(Potential Barrier)이라고 함 ​

즉, PN접합이 되면 캐리어 확산으로 인한 전류(Diffusion 전류)가 발생하고, 공핍층이 생성된 이후엔 양이온과 음이온의 생성에 의해 전계의 형성으로 인한 전류(Drift 전류)가 발생함

pn접합에서 평형, 즉 공핍영역이 더 이상 늘어나지 않는 것은 공핍영역에서의 확산 전류가  표동과 균형을 이룬 상태임

 

pn접합과 공핍층

 

여기서 전위장벽은 접합면의 이온 간 전위차로 다수 반송자의 이동을 막는 역할을 함

대표적으로 실리콘의 25℃에서 전위장벽은 0.7V 게르마늄은 0.3V임

 

2. 순방향 바이어스

 

- 순방향 바이어스

 

바이어스란 외부에서 힘이나 에너지를 가하여 의도적으로 한 방향으로 치우치게 하거나 특정한 경향성을 나타내도록 하는 것

 

순방향 바이어스$(Forward Bias)$ : p영역에 $(+)$, n영역에 $(-)$ 전압을 연결한 상태

역방향 바이어스$(Reverse Bias)$ : p영역에 $(-)$, n영역에 $(+)$ 전압을 연결한 상태

 

다이오드의 순방향 바이어스

 

순방향 바이어스는 n형 영역에 n형 영역의 다수 반송자인 전자를 전달하고, p형 영역에는 p형 영역의 다수 반송자인 정공을 공급함

 

전압장벽보다 높은 전압을 공급할 때

 

순방향 바이어스의 전압은 다이오드의 전압장벽보다 커야함

공핍영역의 전위장벽보다 큰 순방향 바이어스 전압은 공급된 다수 반송자들이 전위장벽을 넘어서 서로 결합하게 함

 

-  순방향 바이어스에서의 공핍층

 

평형상태에서 pn 접합부의 이온들은 다수 전송자가 공급됨에 따라 그들과 결합하며 그 수가 적어짐

줄어든 이온으로 인해 공핍층은 얇아지게 됨

 

 

3. 역방향 바이어스

 

- 역방향 바이어스

 

역방향 바이어스$(Reverse Bias)$란 p영역에 $(-)$, n영역에 $(+)$ 전압을 연결한 상태를 말함

역방향 바이어스는 n형 영역의 다수 반송자인 전자를 +극으로 당기고, p형 영역의 다수 반송자인 정공을 -극으로 당김

 

 

- 역방향 바이어스에서의 공핍층

 

다수 반송자들이 다이오드 단자로 몰리면서 공핍층에는 많은 양의 이온이 형성되고 이로인해 공핍층은 넓어짐

 

 

# 순방향 바이어스와 역방향 바이어스에서의 공핍층

 

순방향 바이어스의 경우 평형상태에서 pn접합부의 이온들은 다수 전송자가 공급됨에 따라 그 수가 적어짐

공핍층 부분을 보면 -,+가 존재하는데, -에는 정공이, +에는 전자가 와서 다시 전기적 중성이 되고 공핍층이 줄어듦

 

역방향 바이어스의 경우 다수 반송자들이 다이오드 단자로 몰리면서 공핍층에는 많은 양의 이온이 형성됨

공핍층 부분에는 -,+가 존재하는데, 공핍층 근처에서 정공과 전자들이 공핍층으로 부터 멀어져 단자쪽으로 이동하여 -,+ 부분이 넓어져 공핍층이 넓어지게 됨

 

4. 다이오드 특성 곡선

 

- 순방향 전압-전류 특성

 

순방향 전압이 0V에서 서서히 증가하면 순방향 전류와 다이오드에 걸리는 전압도 증가함

 

순방향 다이오드와 전압-전류 그래프

 

순방향 전압을 전압장벽인 0.7V에 도달하면 순방향 전류는 급격히 증가함

회로의 저항은 순방향 전류의 크기를 제한하여 다이오드의 손상을 방지함

 

- 역방향 전압-전류 특성

 

역방향 바이어스에서는 극히 적은 역전류 $I_R$이 pn접합을 통해 흐름

 

 

역바이어스 전압 $V_R$이 항복전압 $V_{BR}$에 도달할 때까지 증가시키면 역전류가 급속히 증가하기 시작함

역바이어스 전압을 계속 증가시켜도 다이오드의 양단의 전압은 많이 증가하지 않으나, 역전류는 계속 증가하고 이는 다이오드 파손의 원인임

 

- 완전한 전압-전류 특성

 

순방향 바이어스와 역방향 바이어스의 전압-전류 특성을 합친 것은 다음과 같음

 

완전한 전압-전류 특성 그래프