PN다이오드란?(PN 접합이란?)

다이오드

○ 양쪽 단자에 인가한 전압의 극성에 따라 한쪽 방향으로만 전류가 흐르거나, 공핍 영역의 두께가 변화하는 등의 특성을 가진 소자입니다.

 

○ 이러한 다이오드의 성질은 교류를 직류로 변화시키는데, 역전압을 방지하는데, 전압을 일정하게 유지하는데 사용됩니다.

 

○ 다이오드를 사용해 교류를 직류로 변화시키는 원리

1) 교류는 사실상 전자가 흐르는 것이 아닌 전자가 진동하는 것입니다.

2) 이러한 전자의 움직임은 부하(또는 저항)을 이루는 원자와 부딪히게 되고 전압을 생각하게 됩니다. 즉 부하)또는 저항)에서는 전류가 흐르는 것으로 받아들이는 것입니다.

3) 다이오드의 성질은 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 즉 한쪽 방향으로만 전자가 움직이게 만듭니다.

4) 따라서 그림의 회로에서 전자가 좌우로 움직인다고 가정했을 때 다이오드가 되돌아오는 전자의 움직임을 막아 단방향으로 전자 움직이게 됩니다.

5) 이런 방식으로 다이오드를 이용해 교류를 직류로 변화시킬 수 있습니다.

PN Junction Diode(PN 접합 다이오드)

○ PN 접합 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합한 2 단자 소자로, 인가한 전압의 극성에 따라 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 특징을 갖고 있습니다.

○ 일반적으로 다이오드를 말하면 이 PN 접합 다이오드를 의미하는 것입니다.

 

○ PN 접합에 따른 변화

1) P형 반도체와 N형 반도체 각각 존재

PN 접합을 하기 위해서 가장 먼저 P형 반도체와 N형 반도체가 각각 준비합니다. 이 때 P형 반도체 내에는 정공(Hole)을 다수 캐리어로 갖고 있고, N형 반도체 내에는 전자(Electron)를 다수캐리어로 갖고 있습니다.

2) PN 접합시 초기 캐리어의 변화 – 캐리어의 농도차에 의한 확산 운동

PN 접합이 일어난 직후에 그림입니다. P형 반도체 내 다수 캐리어인 정공이 N형 반도체 쪽으로 이동하고, N형 반도체 내 다수캐리어인 전자가 P형 반도체 쪽으로 이동하며 확산 운동하게 됩니다.

3) PN 접합시 캐리어의 변화 – 확산 운동에 의한 전기장 형성

PN 접합이 하고 확산 운동이 시작되면 접합면 주변으로, P형 반도체 영역에서 전자를 받아들여 음이온이 만들어집니다. 반면 N형 반도체 영역에서는 전자를 내주어 양이온이 만들어집니다.

이렇게 양이온과 음이온은 PN 접합면 주변에 존재하고 이를 공핍층이라고 부릅니다.

 

캐리어의 확산이 진행될수록 공핍층이 계속해서 커지게 되는데,

이 공핍층 내에 양이온에서 음이온으로 향하는 전기장이 생성합니다.

그리고 이러한 전기장은 공핍층의 크기에 비례하여 계속해서 커집니다.

 

이 전기장으로 인해 캐리어의 확산과 반대방향으로 Drift 전류가 생기게 됩니다.

4) PN 접합의 완료 시점 – 전기장이 세지게 되고 확산 운동이 중지

확산으로 인한 확산 전류의 세기와 공핍층에 의해 생선 된 드리프트 전류의 세기가 같은 지점입니다.

더 이상 공핍층의 크기는 증가하지 않으며, 평형 상태에 있게 됩니다.

PN 다이오드의 순방향 바이어스 & 역방향 바이어스

1. 순방향 바이어스

○ P형 반도체 부분에 전원의 + 단자를 연결하고, N형 반도체 부분에 전원의 – 단자를 인가한 상태입니다.

 

○ 순방향 바이어스 상태에서의 캐리어 운동

1) P형 반도체 내부에 존재하는 정공은 + 전극에 의해 접합면으로 밀려나게 됩니다.

반대로 N형 반도체 내부에 존재하는 전자는 – 전극에 의해 접합면으로 밀려나게 됩니다.

 

2) 이 때 P형 반도체의 정공은 전위 장벽을 넘어서 N형 반도체 내부의 전자와 결합하고

N형 반도체의 전자는 전위장벽을 넘어서 P형 반도체 내부의 정공과 결합합니다.

 

3) 이에 공핍 영역의 전하영 역이 감소하게 되고, 공핍영역의 폭도 감소하게 됩니다.

4) 공핍영역이 감소하는 만큼 에너지 밴드갭이 줄어들어 쉽게 전류가 흐르게 됩니다.

2. 역방향 바이어스

○ 순방향 바이어스와 반대로 P형 반도체 부분에 전원의 - 단자를 연결하고, N형 반도체 부분에 전원의 + 단자를 인가한 상태입니다.

 

○ 역방향 바이어스 상태에서의 캐리어의 운동

1) P형 반도체 내부에 존재하는 정공은 – 전극 쪽으로 끌리게 됩니다.

반대로 N형 반도체 내부에 존재하는 전자는 + 전극 쪽으로 끌리게 됩니다.

 

2) 즉 각 반도체 안에 존재하는 다수 캐리어가 접합면으로부터 멀어지게 되고 공핍영역이 증가하게 됩니다.

3) 공핍 영역이 증가하면서 에너지 밴드 갭이 커지게 되고 전류가 흐르지 않는 상태가 됩니다.

PN 접합 Break Down

○ PN 다이오드의 역전압(Reverse Voltage)이가 증하여 급격하게 큰 Current가 발생하는 현상입니다.

1. 눈사태 항복(Avalanche Breakdown)

○ 충돌 이온화로 인해 역전류(Reverse Current)가 크게 증가하는 현상입니다.

○ 원리는 다음과 같습니다.

1) 강한 전계에 의해 캐리어들이 높은 운동 에너지를 갖게 됩니다.

2) 운동하는 캐리어들이 공핍층 원자들과 충돌하면서 충돌 이온화로 인해 전자와 정공이 생성됩니다.

3) 생성된 전자와 정공에 의해 또 다른 전자와 전공이 생성됩니다.

4) 이러한 과정이 반복되면서 캐리어가 기하급수적으로 증가하고 연전류가 발생합니다.

 

○ 충돌 이온화 현상으로 일어나는 눈사태 항복은 고농도 및 저농도로 서로 반대 Type의 반도체 간 접합인 다이오드에서 강한 전계에 의해 일어나는 현상입니다.

2. 제너 항복(Zener Breakdown)

○ 터널링으로 인해 역전류가 크게 증가하는 현상입니다.

○ 원리는 다음과 같습니다.

1) 고 농도로 도핑된 반도체로 구성된 다이오드가 있습니다. 이 다이오드는 고 농도로 도핑되어 있기 때문에 에너지 밴드갭이 매우 크고 가파릅니다.

2) 밴드갭이 크고 가파르기 때문에 역전압에 의해 전자가 접합 장벽을 넘어가는 터널링 현상이 발생합니다.

3) 이에 역전류가 발생하게 됩니다.

 

○ 제너 항복은 터널링 현상에 의해 일어나는 만큼 고농도 도핑이 된 반도체에서 일어나는 현상입니다.