[pn접합의 특성] pn 접합이란? 다이오드

 

 

pn 접합(다이오드)

 

 

 

pn 접합에서 외부 전압이 주어지지 않았을 경우 접점에서 먼 지점(bulk region)에서는 전기적으로 중성이다. 

 

이는 n형 반도체에서는 전자와 도너 이온의 수가 같고, 마찬가지로 p형 반도체에서는 정공과 어셉터 이온의 수가 같기 때문이다. 

 

반면에 접점 근처에서는 p형 반도체의 정공밀도가 n형 반도체의 정공밀도보다 크므로, 이에 따라 p형 반도체에 있던 정공이 n형 반도체로 확산되어 들어가서 그곳에 있는 전자들과 재결합하여 없어진다. 

 

이렇게 p형 반도체에 있던 정공들이 n형 반도체 쪽으로 확산되어 들어가면서 뒤에는 음이온을 남기게 된다.

 

마찬가지로 n형 반도체에 있는 전자들이 접합의 경계를 넘어 p형 반도체 쪽으로 확산되어 그곳에서 재결합되어 없어진다. 이 경우에도 n형 반도체에 있던 전자들이 p형 반도체 쪽으로 확산되어 들어가면서 뒤에는 양이온을 남기게 된다. 

 

 

 

이에 따라 pn 접합의 근방에는 양이온과 음이온이 서로 대치되는 공간전하영역이 형성된다.(space charge region)

 

공간전하영역은 캐리어들(전자, 정공)이 존재하지 않는 영역이므로 공핍영역 이라고 부르기도 한다.(depletion region)

 

접합부에서부터 p형 반도체 쪽에는 음이온이 존재하고 n형 반도체 쪽에는 양이온이 존재하게 된다. 이러한 전하의 분포에 의해 전기장이 n형에서 p형 방향으로 형성된다.

 

 

참고. 보통 전기장의 방향

 

 

이 전기장에 의해 p형의 전자가 n형으로 드리프트 됨으로써 드리프트 전류가 n형에서 p형 쪽으로 형성된다.

 

반면에 전자의 확산은 위에서 말했듯이 n형에서 p형으로 이루어지므로 전자의 확산전류는 p형에서 n형으로 형성된다. 전자의 드리프트 전류와 확산 전류는 서로 방향이 반대인 것이다.

 

따라서 n형에서 p형으로 확산되어 들어가는 전자에 대응하여 p형에서 n형으로 드리프트 되는 전자가 존재하는 조건에서 평형이 형성된다. 

 

결과적으로 확산전류가 공간전하영역에 따라 만들어지는 전기장에 의한 드리프트 전류와 동일하게 되는 조건에서 평형이 이루어지는 것이다.

 

 

 

---

 

 

 

p형 반도체 쪽에 + 전압을, n형 반도체 쪽에 - 전압을 걸게 되면 + 전압에 의해 p형 반도체 내에 있는 정공들이 접합 쪽으로 움직이게 되고, 마찬가지로 - 전압에 의해 n형 반도체 쪽의 전자가 접합 쪽으로 움직이게 된다. 

 

이에 따라 공간전하영역이 좁아지게 됨으로써 전자와 정공이 접합의 경계를 넘어 이동하게 되면서 전류가 형성된다.

 

이렇게 전압을 걸어주는 경우를 순바이어스 라고 부른다. (forward bias)

 

반대로 p형 반도체 쪽에 - 전압을, n형 반도체 쪽에 + 전압을 걸게 되면 - 전압에 의해 p형 반도체 내에 있는 정공들이 접합의 반대쪽(- 전극) 으로 움직이게 되고, + 전압에의해 n형 반도체 쪽의 전자가 접합의 반대쪽(+전극) 으로 움직이게 된다.

 

이에 따라 공간전하영역이 점점 넓어지게 됨으로써 전자와 정공은 접합의 경계를 넘어갈 수 없게 된다. 그러면 전류가 형성되지 못하는 것이다.

 

이렇게 전압을 걸어주는 경우를 역바이어스 라고 부른다. (reverse bias)

 

 

 

---

 

 

 

이렇게 pn 접합은 전압이 걸리는 방향에 따라 전류가 흐르기도 하고, 전류가 흐르지 못하기도 한다. 

 

이러한 다이오드의 특성은 정류(rectification)에 유용하게 이용될 수 있다.

예를 들면 교류 전원을 직류 전원으로 변환해주는 등...

 

 

다이오드

 

 

다이오드는 위 그림과 같이 표현한다. 화살표의 방향이 전류가 흐르는 방향을 나타낸다. 

전류가 흐르는 방향 = p형에서 n형쪽으로 

 

 

 

 

 

 

 '과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.