2. 반도체 다이오드(1)

2. 반도체 다이오드(1)

다이오드는 p형, n형 반도체를 결합한 2단자 소자이다.

(다이오드)

회로의 동작점을 결정하기 위해 전압 또는 전류를 인가하는 것을 바이어스라고 한다.

1. 바이어스가 가해지지 않은 상태:

접합부에 존재하던 캐리어들은 결합하고 이온들만 남아서 공핍영역(캐리어가 없고 이온만 존재)을 형성하며 이온들에 의해 전위장벽(\(V_{k}\))이 존재한다. 전위장벽은 게르마늄(Ge)의 경우 \(0.3\text{V}\), 실리콘(Si)의 경우 \(0.7\text{V}\), 비화갈륨(GaAs)의 경우 \(1.2\text{V}\)이다.

접합부의 온도가 증가하면 전위장벽이 감소하고, 평형상태에서는 전류가 흐르지 않는다(\(I_{D}=0\text{mA}\)).

2. 역방향 바이어스: 

p형에 (-)단자, n형에 (+)단자를 연결하여 역방향 바이어스를 인가한다. 그러면 n형(p형)의 다수 캐리어인 전자(정공)는(은) 전원의 (+)((-))단자로 끌리게 되어 이온이 증가해 공핍영역이 넓어지게 된다. 이렇게 되면 전위장벽이 증가해서 다수 캐리어가 접합부를 넘지 못하게 되어 다수 캐리어에 의한 전류는 \(0\)이다.

위의 그림에서 전류 \(I_{s}\)는 역방향 포화전류(또는 표동전류)이고 소수 캐리어에 의해 발생되는 전류이다.(열적으로 생성된 소수 캐리어가 공핍영역의 전장에 의해 흐르는 전류로 n형은 정공, p형은 전자) 인가되는 전압의 크기에 무관하게 역방향 포화 전류는 일정하다(포화). 역방향 바이어스는 pn접합에 흐르는 전류를 방해하기 때문에 개방회로로 간주하고, 접합부의 온도가 증가하면 \(I_{s}\)가 증가한다.

3. 순방향 바이어스:

n형에 (-)단자, p형에 (+)단자를 연결하여 순방향 바이어스를 인가한다. 그러면 n형의 전자와 p형의 정공들은 공핍영역의 이온들과 재결합해서 이온이 감소하게 되고, 공핍영역이 좁아지게 되어 전위장벽이 감소하게 된다. 이렇게 되면 다수캐리어가 접합부를 잘 지나게 된다(n형의 전자는 p형으로, p형의 정공은 n형으로).

반도체 다이오드의 일반적인 특성(Shockley equation): \(\displaystyle I_{D}=I_{s}(e^{\frac{V_{D}}{nV_{T}}}-1)\)(단위: \(\text{A}\)(암페어), 아래 그래프의 Eq (1.1))

여기서 \(n\)은 동작조건과 재료에 따라서 \(1\) 또는 \(2\)이고 일반적으로 \(n=1\)이며, \(V_{T}\)는 열전압으로 식이 \(\displaystyle V_{T}=\frac{kT}{q}\)(단위: \(\text{V}\)(볼트))이며 \(k\)는 볼츠만 상수, \(T\)는 절대온도, \(q\)는 전자의 전하량이다. 상온(\(27^{\circ}\))에서의 열전압은 \(\displaystyle V_{T}=\frac{(1.38\times10^{-23}\text{J/K})\times(300\text{K})}{1.6\times10^{-19}\text{C}}=26\text{mV}\)이다.

\(V_{D}=0\)이면 \(I_{D}=0\)이고, \(V_{D}<0\)이면 \(I_{D}=-I_{s}\)이고 이때의 단위는 \(\text{pA}\)이나 실제로는 \(\text{nA}\)이다.

이상적인 경우 역방향 바이어스에서는 전류가 \(0\), \(V_{D}>0\)일 때는 \(\displaystyle I_{D}=I_{s}e^{\frac{V_{D}}{nV_{T}}}\)(단위: \(\text{mA}\))이다.

아주 큰 역방향 바이어스 전압은 공핍영역의 전계(전기장)를 높게 만들어 큰 운동에너지의 자유전자가 n형으로 이동 중 가전자에 에너지를 제공하여 자유전자를 만들고, 이들 전자 역시 다른 가전자에게 에너지를 제공하여 자유전자를 만든다. 이 현상을 avalanche effect(저농도 도핑, 전자의 터널링 무시)라고 하며, 자유전자의 폭발적인 증가를 초래한다. 이때 인가된 역방향 전압을 사태항복(avalanche breakdown) 전위(\(V_{Z}\))라고 한다.

도핑레벨이 증가하면 \(V_{Z}\)가 감소하게 되고, 고농도 도핑에서는 공핍영역이 좁아지고 p형의 가전자대역에서 n형의 전도대역으로 전자 터널링이 발생한다(이를 제너항복 이라고 한다).

(제너항복)

\(V_{Z}\)가 특히 작은 값일 때(예: \(-5\text{V}\)), 급격히 변화하는 부분을 제너영역이라고 하며, 이런 특성을 이용하는 다이오드를 제너 다이오드라고 한다. 항복영역에 들어가지 직전의 최대 역방향 바이어스 전압을 PIV(Peak Inverse Voltage) 또는 PRV(Peak Reverse Voltage)라고 한다.(전자회로에서 일반 다이오드의 역방향 전압은 항상 PIV보다 작아야 한다)

   

	최대 PIV	\(\text{T}\)	\(V_{k}\)	\(I_{s}\)
Ge	\(400\text{V}\)	\(100^{\circ}\text{C}\)	\(0.3\text{V}\)	\(1\mu\text{A}\)
Si	\(1000\text{V}\)	\(200^{\circ}\text{C}\)	\(0.7\text{V}\)	\(10\text{pA}\)
GaAs	\(1100\text{V}\)	\(400^{\circ}\text{C}\)	\(1.2\text{V}\)	\(1\text{pA}\)

(\(V_{k}\)는 무릎전압) 

온도효과:

Ge(게르마늄)는 온도에 민감하고 큰 역방향 포화전류로 인해 응용하는데 있어서 제약이 있다. 속도는 중간이고 빛과 온도에 쉽게 반응해서(민감하기 때문) 포토다이오드, 경보장치에 사용된다.

Si(실리콘)는 재료가 풍부(모래로 만듬)하고 값이 싸며, 역방향 포화전류가 작고 PIV가 크며, 온도 특성이 좋아(온도에 민감하지 않음) 광범위하게 사용된다.

GaAs(비화갈륨)는 VLSI에 Si와 같이 사용되며 속도가 빠르고 역방향 포화전류가 작으며 온도특성이 좋고, 큰 PIV를 갖는다. 대부분 광전자회로(LED, 태양전지)에 사용된다.

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?nav=&m_temp1=4227&id=172 

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EC%96%B4%EC%8A%A4