10강. 순방향전압(Forward Bias)과 역방향전압(Reverse Bias)인가 특성

이번 포스팅에서는 순방향전압(Forward Bias)과 역방향전압(Reverse Bias)를 인가하였을 때, 다이오드 내부의 물성에 대해 알아보겠습니다.

먼저 평형상태(Equillibrium Condition)일 때, PN접합(PN Junction) 다이오드의 에너지 밴드그림을 그려보겠습니다.

같은 계(System)에서 Fermi Level은 같습니다.

즉, 아직 아무런 전압이 인가되어있지 않기 때문에, P-type과 N-type의 Fermi Level Energy는 같습니다.

그리고 이때, 전자와 정공의 움직임을 보며, 물성특징을 정성적으로 이해해보겠습니다.

먼저 위 그림에서 확산전류(Diffusion Current)에 대해 이해해보겠습니다.

N-type 반도체를 보면, 다수 캐리어는 전자입니다. 이 전자들은 P-type의 전자농도보다 훨씬 높습니다.

이러한 이유로 반대쪽으로 확산하려는 경향이 나타나는데, 에너지 장벽으로 인해 일부 전자만 반대쪽으로 확산됩니다.

그리고 드리프트 전류(Drift Current)에 대해 보면,

P-type의 소수캐리어인 전자가 열운동으로 인해 무작위적인 움직임을 하고있다가 공핍영역(Depletion Region)으로 들어가게 되면, 공핍영역내 생성되어있는 전기장(Electric Field)에 의해 가속되어 N-type반도체 쪽으로 이동하게 됩니다.

위 그림은 평형상태의 PN다이오드의 모습입니다. 평형상태에서는 Diffusion과 Drift로 인해 움직이는 캐리어들이 서로 같고, 전자와 정공이 합쳐져 EHP현상을 일으켜 사라집니다. 이로인해 전류가 0으로 나타나게 되는 것입니다.

이제 평형상태가 아닌, 전압을 인가해보겠습니다.

 

1. 순방향 전압인가 (Forward Bias)

전압 V_A를 인가해보았습니다. 달라진 것을 눈치채셨을 수 있지만,

설명드리자면 전압 V_A가 인가됨으로서 P-type의 정공들은 +전압에의해, N-type의 전자들은 -전압에의해 공핍영역쪽으로 척력의 힘을받아 움직입니다.

즉, 공핍영역의 폭이 줄어들게 됩니다.

이때, 에너지 밴드 다이어그램을 살펴보면 아래와 같습니다.

주의 깊게 살펴볼 점이 2군데 있습니다.

첫째로, Fermi Level의 위치가 각 반도체에서 달라졌습니다.

이는 외부에 인가된 전압 V_A에 의해, 평형상태가 깨졌기 때문이고, 그 결과로 qV_A만큼의 에너지준위 차이납니다.

둘째로, 에너지 장벽이 낮아짐으로서, 확산되는 다수캐리어의 수가 증가되었습니다.

드리프트 전류는 소수캐리어의 움직임으로 다수캐리어 확산에 비해 매우 작은값입니다.

또한 드리프트 전류는 Bias크기에 무관한 일정한 값을 가집니다.

즉, 전류의 흐름을 발생시키는 주요 원인은 확산전류에 의한 전류입니다.

 

2. 역방향 전압인가 (Reverse Bias)

이번에는 전압의 방향을 바꾸어 V_A를 인가해보겠습니다.

이때는 PN Junction에 어떠한 변화가 일어났을지 물성특성을 정성적으로 이해해보겠습니다.

전압의 방향이 바뀌었으므로, P-type쪽에는 -전압이 인가되고 N-type쪽에는 +전압이 인가됩니다.

이렇게 된다면 캐리어들이 공핍영역과 반대로 움직이게 되고, 공핍영역의 폭은 증가합니다.

이러한 현상을 에너지밴드 다이어그램으로 살펴보겠습니다.

이번에도 Fermi Level이 인가된 전압에 의해 qVA만큼의 차이가 납니다.

그리고 에너지 장벽의 크기가 더 높아짐에 따라,

확산되는 전자들과 정공들은 장벽을 더욱 더 넘어가지 못하고 확산되지 못합니다.

확산전류가 0에 수렴하게되고, 드리프트 전류만이 전류원으로 동작할 수 있습니다.

하지만 드리프트 전류는 바이어스의 크기와 무관하며, 그 값은 확산 전류에 비해 매우 작은 값입니다.

따라서 Reverse Bias에서는 흐르는 전류가 드리프트 전류값만 존재합니다.