안녕하세요. 이번 포스팅에서는 PN 접합과 다이오드에 대해 알아보겠습니다. PN 접합은 반도체의 접합 중 기본적인 형태의 접합으로 P-type 반도체와 N-type 반도체를 접합한 형태를 가지고 있습니다. 이 두 가지의 다른 특성을 가진 반도체를 접합함으로써 어떠한 특성들이 나타나는지 살펴보도록 하겠습니다.
1. 다이오드란?
2. PN 접합의 구조
3. 인가 바이어스
4. 항복 현상
1. 다이오드란?
다이오드는 전류가 한쪽 방향으로 흐르도록 설계된 소자입니다. 초기 다이오드는 양극(anode)과 음극(cathode)으로 이루어진 단순한 구조를 가지고 있었습니다. 하지만, 기술의 발전에 따라 반도체로 다이오드를 구성할 수 있었습니다.
정류기(rectifier)라고 불리는 반도체 다이오드는 p-type과 n-type의 반도체를 접합하여 만들어집니다. p-type 반도체는 양극의 역할을, n-type 반도체는 음극의 역할을 하여 전류를 p-type에서 n-type으로 흐르게 합니다.
이상적인 I-V 커브에서 보다시피 순방향(p->n)에서 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있습니다. 하지만, 실제 동작에서는 문턱전압(threshold voltage)이 존재하여 어느 정도의 전압을 필요로 합니다. Si로 제작된 다이오드는 0.7V, 쇼트키 다이오드는 0.5V, Ge로 제작된 다이오드는 0.3V의 전압이 필요합니다.
이처럼 다이오드는 정류 작용을 하여 브릿지 정류회로나 버랙터(varactor) 같은 용도로 사용됩니다. 특수한 경우에는 빛을 방출을 하여 발광다이오드(LED)로 사용될 수 있습니다. 특히, LED의 경우에는 현대에 가장 중요한 소자 중 하나이므로 나중에 다시 살펴보도록 하겠습니다.
2. PN 접합의 구조
p-type과 n-type을 접합하면 반도체는 금속학적 접합(metallurgical junction)에 의해 두 영역으로 나뉘어 지게 됩니다. 그리고 n영역의 전자는 p영역으로 확산하고, p영역의 정공은 n영역으로 확산하게 됩니다. n영역에는 양으로 대전된 도너 원자가 남고, p영역에는 음으로 대전된 억셉터 원자가 남게 됩니다. n과 p영역의 순수 전하들은 금속학적 접합 근처에서 양의 방향에서 음의 방향으로 전계를 발생시킵니다.
위 그림에서 보는 바와 같이 대전된 도너와 억셉터의 영역을 공핍 영역(depletion region)이라고 합니다.
공핍영역의 끝에는 다수 캐리어의 존재로 인해 밀도 기울기가 발생하고 이는 다수 캐리어에 확산력을 발생시킵니다. 또한, 공핍영역에서 발생된 전계는 확산력과 반대인 방향으로 전자와 정공에 힘을 가하게 됩니다. 이렇게 전계와 확산력이 서로 반대로 작용하게 되어 평형을 이루게 되는 상태를 열평형 상태라 합니다.
pn 접합의 에너지 밴드 다이어그램을 살펴봅시다. 각 전도대와 가전자대의 에너지는 공핍 영역을 통과할 때 p-type과 n-type의 상대적인 페르미 준위 차이로 인해 휘어지게 됩니다. 이로 인해 n영역의 전자가 p영역으로 넘어가기 위해서는 장벽을 넘어야 하는 상황이 옵니다. 이 장벽을 내부 전위 장벽(built-in potential barrier)라고 부르고 Vbi로 표기합니다.
Vbi는 n영역의 전자와 p영역의 전자 사이의 평형을 유지시키고, p영역의 정공과 n영역의 정공의 평형을 유지시킵니다.
3. 인가 바이어스
이제까지는 다이오드에 전압을 인가하지 않는 평형상태에 대해 알아보았습니다. 하지만, 다이오드가 소자로의 역할을 하려면 전압을 걸어주어야 합니다. 다이오드에 전압을 걸어 주는 것을 ‘바이어스’라 합니다. 이번에는 이 바이어스에 따라 다이오드가 어떻게 변화하는지 살펴보도록 하겠습니다.
* 순방향 바이어스 (forward bias)
순방향 바이어스는 p영역에 +전압을 n영역에 -전압을 걸어주는 경우입니다. 이 경우에는 p영역의 정공과 n영역의 전자가 접합면으로 밀려나가게 되고 공핍 영역의 폭이 줄어들게 됩니다. 또한, 전위 장벽이 낮아지게 되고 저항이 낮아져 전류의 흐름이 용이해집니다. 이 과정에서 접합부의 전자와 정공의 결합으로 인해 열 또는 빛의 형태로 에너지가 방출되게 됩니다. 이 원리를 이용한 대표적인 소자가 LED입니다.
* 역방향 바이어스 (reverse bias)
역방향 바이어스는 순방향 바이어스와 반대인 경우입니다. p영역에 -전압을 n영역에 +전압을 걸어줍니다. p영역의 정공과 n영역의 전자는 각각의 영역으로 끌려오게 되고 공핍 영역의 폭이 늘어나게 됩니다. 이 경우에는 전위 장벽이 높아져 캐리어들의 움직임을 제한합니다. 이러한 이유로 전류가 흐르지 않게 됩니다.
4. 항복 현상
앞서 역방향 바이어스에서 PN 접합의 전류는 흐르지 않는다고 알아보았습니다. 하지만 역방향 바이어스 전압을 계속 걸어주면 특수한 현상이 일어나게 됩니다. 바로 항복 현상(breakdown)이라는 현상입니다. 이 현상은 어떤 특수한 전압에서 역방향 바이어스 전류가 급격히 증가하는 현상이고 항복이 일어나게 되는 특수한 전압을 항복 전압(breakdown voltage)이라 합니다.
항복 현상에는 제너(Zener) 항복과 애벌런치(Avalanche) 항복이라는 두 가지의 메커니즘이 있습니다.
*애벌런치 항복 (Avalanche breakdown)
역방향 바이어스의 전압이 매우 크게 인가될 때 발생하는 현상입니다. 전압이 인가될 때 전자와 정공이 공핍 영역에서 전계에 의해 가속하게 됩니다. 가속된 전자는 원자의 격자에 충돌하여 전자-정공 쌍을 만들게 됩니다. 새롭게 만들어진 전자와 정공은 전계에 의해 서로 반대방향으로 움직이게 되고, 이는 더 많은 양의 역 바이어스 전류를 생성시킵니다. 또한, 새롭게 만들어진 전자는 자유전자가 되어 마찬가지로 다른 원자들을 붕괴시키고, 전자-정공 쌍을 연쇄적으로 만들게 됩니다. 이렇게 산사태처럼 캐리어들이 늘어나는 현상을 애벌런치 항복이라 합니다
* 제너 항복 (Zener breakdown)
많이 도핑된 PN 접합에서 발생하는 현상입니다. 도핑이 많이 된 접합에서 공핍 영역은 pn영역으로 확장됩니다. 발생되는 전계는 p영역의 전도대와 n영역의 가 전자대의 간격을 공핍 영역 내에서 감소시킵니다. 에너지 밴드의 형태는 심하게 휜 형태를 가지게 되고 상대 영역의 가 전자대와 전도대는 매우 가까워집니다. 결국 전자는 p영역의 가 전자대에서 n영역의 전도대로 터널링(tunneling)되어 넘어가게 됩니다. 이러한 현상을 제너 항복이라 합니다. 다이오드의 종류 중 제너 항복의 특성을 이용한 다이오드가 제너 다이오드입니다.
이상으로 PN 다이오드의 원리와 특징들을 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 금속과 반도체를 접합하는 MS 접합에 대해 알아보도록 하겠습니다.
감사합니다.
*본 포스팅은 ‘NEAMEN의 반도체 물성과 소자’를 참고하여 제작하였습니다.
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