PN 접합 다이오드란 무엇인가?

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PN 접합 다이오드란?

PN 접합 다이오드

PN 접합 다이오드는 전자공학에서 기본적인 구성 요소입니다. 이 종류의 다이오드에서는 반도체의 한쪽이 수용체 불순물(P형)로 도핑되고 다른 쪽은 기여체 불순물(N형)로 도핑됩니다. 이 다이오드는 '스텝 그레이디드' 또는 '선형 그레이디드' 접합으로 분류될 수 있습니다.

스텝 그레이디드 PN 접합 다이오드에서는 접합까지 양쪽의 도핑 농도가 일정합니다. 선형 그레이디드 접합에서는 도핑 농도가 접합에서의 거리에 따라 거의 선형적으로 변화합니다. 어떤 전압도 적용되지 않은 상태에서 자유 전자는 P측으로 이동하고 구멍은 N측으로 이동하여 결합합니다.

P측의 접합 근처의 수용체 원자는 음이온이 되고, N측의 접합 근처의 기여체 원자는 양이온이 됩니다. 이렇게 형성된 전기장은 전자와 구멍의 더 이상의 확산을 방지합니다. 이러한 노출된 이온이 있는 영역을 소진 영역이라고 합니다.

만약 p-n 접합 다이오드에 순방향 바이어스 전압을 가하면, 즉 배터리의 양극이 P측에 연결되면, 소진 영역의 폭이 감소하고 전하 운반체(구멍과 자유 전자)가 접합을 통해 흐릅니다. 만약 역방향 바이어스 전압을 가하면, 소진 영역의 폭이 증가하여 접합을 통해 전하가 흐를 수 없습니다.

P-N 접합 다이오드 특성

다음과 같이 기여체 농도 ND와 수용체 농도 NA를 가진 pn 접합을 고려해봅시다. 또한 모든 기여체 원자가 자유 전자를 제공하고 양이온이 되었으며, 모든 수용체 원자가 전자를 받아들여 구멍을 만들고 음이온이 되었다고 가정하겠습니다. 따라서 자유 전자의 농도(n)와 기여체 이온 ND는 같고, 마찬가지로 구멍(p)과 수용체 이온(NA)의 농도도 같습니다. 여기서는 의도하지 않은 불순물과 결함으로 인해 생성된 구멍과 자유 전자를 무시하였습니다.

pn 접합을 통해 n형 측에서 기여체 원자에 의해 제공된 자유 전자는 p형 측으로 확산하여 구멍과 재결합합니다. 마찬가지로, p형 측에서 수용체 원자에 의해 생성된 구멍은 n형 측으로 확산하여 자유 전자와 재결합합니다. 이러한 재결합 과정 후에는 접합 주변에서 전하 운반체(자유 전자와 구멍)가 부족하게 됩니다. 접합 주변에서 자유 전하 운반체가 소진되는 영역을 소진 영역이라고 합니다.

자유 전하 운반체(자유 전자와 구멍)가 없기 때문에, n형 측의 기여체 이온과 p형 측의 수용체 이온이 접합 주변에서 노출됩니다. 접합 근처의 n형 측으로 향한 양이온과 p형 측으로 향한 음이온은 pn 접합을 가로질러 공간 전하를 생성합니다. 이 공간 전하에 의해 접합에 걸리는 전위는 확산 전위라고 합니다. pn 접합 다이오드의 확산 전위는 다음과 같이 표현할 수 있습니다. 확산 전위는 n형 측에서 p형 측으로의 자유 전자의 추가 이동과 p형 측에서 n형 측으로의 구멍의 이동을 방지하는 전위 장벽을 생성합니다. 즉, 확산 전위는 전하 운반체가 접합을 가로질러 이동하는 것을 방지합니다.

이 영역은 자유 전하 운반체가 소진되어 매우 저항성이 높습니다. 소진 영역의 폭은 적용된 바이어스 전압에 따라 달라집니다. 소진 영역의 폭과 바이어스 전압 사이의 관계는 포아송 방정식이라는 방정식으로 나타낼 수 있습니다. 여기서 ε은 반도체의 유전율이고 V는 바이어스 전압입니다. 따라서 순방향 바이어스 전압을 가하면 소진 영역의 폭, 즉 pn 접합 장벽이 감소하여 결국 사라집니다.

따라서, 순방향 바이어스 조건에서 접합에 걸리는 전위 장벽이 없는 경우 자유 전자는 p형 영역으로, 구멍은 n형 영역으로 들어가 각각 재결합하며, 재결합 시마다 광자를 방출합니다. 결과적으로 다이오드를 통과하는 순방향 전류가 발생합니다. pn 접합을 통과하는 전류는 다음과 같이 표현됩니다. 여기서 V는 pn 접합에 걸리는 전압이고 I는 pn 접합을 통과하는 전체 전류입니다.

Is는 역방향 포화 전류, e는 전자의 전하, k는 볼츠만 상수, T는 절대온도입니다.

아래 그래프는 PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성을 보여줍니다. V가 양수일 때 접합은 순방향 바이어스이며, V가 음수일 때 접합은 역방향 바이어스입니다. V가 음수이고 VTH보다 작을 때, 전류는 최소입니다. 그러나 V가 VTH를 초과하면, 전류가 갑자기 매우 높아집니다. VTH는 임계 전압 또는 차단 전압이라고 합니다. 실리콘 다이오드의 VTH는 0.6V입니다. P점에 해당하는 역방향 전압에서, 역방향 전류가 갑자기 증가합니다. 이 특성의 부분은 파괴 영역이라고 합니다.