전자 - 다이오드

전자 부품인 다이오드의 특성인 전위 장벽과 전류 및 전압에 대해 알아보고자 합니다.

 

다이오드 특성

다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 결합한 것으로 p-n접합이라고도 합니다. 이때 p형을 애노드라고 하고 n형을 캐소드라고 합니다. p-n 접합면에는 전위 장벽이 형성되어 전자와 정공의 흐름을 막습니다. 이때 다이오드에 전압을 인가하면 전압의 극성에 따라 전위 장벽이 낮아지거나 높아지며 이와 같은 전위 장벽의 상태에 따라 다이오드가 도통(단락)되거나 차단(개방)됩니다. 전자의 에너지는 음이기 때문에 저위 그래프를 전자에너지 그래프로 변환하면 그래프의 아래위가 바뀌게 됩니다. 반도체 공학에서는 주로 에너지 밴드 다이어그램을 사용하여 전자와 정공의 운동을 설명하며, 이때의 에너지는 전자의 에너지를 의미합니다. 에너지 밴드 다이어그램에서 y축을 정공의 에너지로 생각하면 혼란이 올 수 있기 때문에 주의를 요합니다.

 

1. 전위 장벽

p-n접합에서는 방송자 밀도 차이에 의해 전자와 정공의 확산이 일어납니다. p 영역에는 정공과 음이온이, 그리고 n 영역에서는 전자와 양이온이 섞여 있어서 전체적으로 전기적 중성 상태를 유지하고 있습니다. 따라서 정공이 확산되어 떠난 자리에는 음이온이 남고 전자가 떠난 자리에는 양이온이 남습니다. 이런 이온들에 의한 전하를 공간 전하라고 합니다. 이와 같은 전자와 정공의 확산에 의해 p-n접합의 경계면에는 공간 전하로 이루어진 공핍 영역이 만들어집니다. 공핍 영역에 잇는 전하들은 가한 전계를 형성하고 이 전계는 전자와 정공의 이동을 억제합니다. 반송자들의 밀도 차이에 의한 확산의 힘과 반송자들을 밀어내는 전계의 힘이 평형을 이룰 때 확산은 멈추게 됩니다. 확산이 멈춘 상태에서 공핍 영역에는 전위차가 존재하는데, 이것을 전위로는 built-in voltage이라고 하고 에너지를 표현할 때는 built-in potentital이라고 합니다.

built-in potential에 음의 부호가 붙은 것은 전자의 에너지이기 때문입니다. 전자 및 정공의 운동을 설명하기 위해 에너지 밴드 다이어그램을 사용하는 경우가 많은데, 에너지 밴드 다이어그램의 y축은 전자의 에너지를 나타내기 때문에 양의 전위를 인가한 쪽의 에너지 레벨이 오히려 아래 방향으로 내려갑니다.

 

2. 전류 및 전압의 특성

p-n 접합의 경계면에는 공간 전하에 의해 전위 장벽이 형성됩니다. 따라서 열평형 상태에서는 다이오드에 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 다이오드에 전압을 인가하면 열평형 상태가 깨지고 전위 장벽의 크기가 바뀌면서 반송자의 운동에 변화가 일어납니다. 애노드에 캐소드보다 더 높은 전위를 인가하는 것을 순방향 바이어스라고 하며 그 반대를 역방향 바이어스라고 합니다. 다이오드에 전압을 인가하면 그 전압은 모두 공핍 영역에 걸립니다. 이유는 반송자들이 거주하기 않응 공핍 영역은 그 저항이 매우 크기 때문입니다.

다이오드에 순방향 전압이 인가되면, p-n접합의 전위 장벽이 낮아져 전자와 정공의 확산이 다시 일어납니다. 이것은 댐의 둑이 낮아지면 갇혀 있던 물이 넘쳐흐르는 것과 같습니다. 요약하면, 순방향 바이어스 된 다이오드에는 재개된 반송자의 확산에 의해 전류가 흐릅니다. 그러나 다이오드에 역방향 전압이 인가되면 전위 장벽이 더 높아져 전자와 정공의 이동이 더욱 어려워집니다. 따라서 역방향 바이어스 된 다이오드에는 전류가 흐르지 않습니다. 이와 같이 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 p-n 접합과 같은 접촉을 정류 성 접촉이라고 하며, 일반 도체처럼 양방향으로 전류가 흐르는 접촉을 저항성 접촉이라고 합니다.

다이오드가 역방향 바이어스 되면 공핍 영역이 확장됩니다. 확장된 공핍 영역에 빛 또는 열에 의한 에너지가 가해지면 에너지를 받은 가전자가 전도대로 뛰어 올라가면서 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 생성된 전자 및 정공은 역방향 전압에 의해 각각 캐소드 및 애노드 방향으로 끌려갑니다. 따라서 역방향 바이어스 된 다이오드에는 순방향 전류와 반대 방향으로 역방향 포하 전류가 흐릅니다. 순방향 전류와 달리 반송자의 농도 차이에 의한 확산 전류가 아니라 공핍 영역의 전계에 의한 유동 전류입니다.

 

다이오드의 특성에 대해 포스팅하였습니다. 감사합니다.