PN 접합 다이오드

기출문제 풀이

기출문제 ❶

PN 접합 다이오드에 대해 설명하시오.

STEP 1 접근 전략

STEP 2 답안 구조화 TIP

Q PN 접합 다이오드?

STEP 3 모범답안

다이오드는 p형(또는 n형) 반도체 기판에 그와는 반대 Type의 불순물을 주입하여 접합한 것으로, 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 특성을 이용하여 정류기 및 스위치 등의 용도로 사용하는 2단자 소자입니다. 먼저 평형 상태에서 각 영역의 다수 캐리어인 전자와 정공이 확산에 의해 서로 반대편으로 이동하면서 접합 부근에서 재결합하게 되는데, 이때 캐리어 없이 p영역의 억셉터 이온과 n영역의 도너 이온만 남게 되는 공핍 영역과, 이로 인한 고유 전위 장벽(Built-In potential)이 생성됩니다. 그리고 전자와 정공의 확산을 저지하는 방향으로 생긴 전위 장벽 때문에 확산에 의한 전류와 내부 전계에 의한 표동 전류가 균형을 이루게 되어 더 이상 공핍 영역이 증가하지 않습니다. 이때 공핍 영역의 폭은 주입한 불순물의 농도에 반비례합니다. p형 반도체에 ‘+’ 전압을 인가하는 순방향 바이어스의 경우 고유 전위 장벽을 낮추는 방향으로 전압이 인가되어 다수 캐리어들의 확산에 의한 전류가 흐르게 됩니다. 반대로 p형 반도체에 ‘-’ 전압이 인가되는 역방향 바이어스의 경우, 고유 전위 장벽을 높이는 방향으로 전압이 인가되므로 공핍 영역이 늘어나면서 전위 장벽이 증가하게 되고 역 포화 전류(Reverse saturation current)라고 하는 소수 캐리어들에 의한 미량의 전류 외에는 거의 전류가 흐르지 않는 상태가 됩니다.

핵심 이론 정리

1. PN 접합 다이오드의 구조 및 용도

p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 후 양단에 전압을 가하면 인가한 전압의 극성에 따라 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 특성을 보인다. PN 접합 다이오드란, 이러한 특성을 이용하여 교류(AC)를 직류(DC)로 변환시키는 정류 소자 또는 논리 회로를 구성하는 스위칭 소자 등으로 응용되는 2단자 소자를 말한다. 구조와 회로 상 표기 방법은 다음 [그림 2-5]와 같다. p형 반도체와 n형 반도체가 접하는 경계를 금속학적 접합(Metallugical junction)이라 하고, p형 영역에 연결된 전극을 양극(Anode), n형 영역 쪽은 음극(Cathode)으로 정의한다.

2. 열 평형 상태에서 PN 접합 다이오드의 특성

열 평형 상태란 일정한 열 에너지 외 전압, 빛 등의 아무런 외부 에너지가 개입하지 않는 상태를 말한다. 초기에 PN 접합에서는 전자 및 정공 간 큰 농도 차이가 존재한다. 따라서 n영역에서 다수 캐리어인 전자는 p영역으로, p영역의 다수 캐리어인 정공은 n영역으로 확산되기 시작하고, 이 과정에서 전자와 정공은 접합부에서 서로 재결합하게 된다. 그러나 이 확산 과정이 무한정 계속되지는 않는다. [그림 2-6]과 같이, 전자가 n영역으로부터 확산됨에 따라 양으로 대전된 도너 이온이 남게 되고, 정공이 p영역으로부터 확산됨에 따라 음으로 대전된 억셉터 이온이 남게 된다. 이들은 이온화된 불순물로서 공간적 이동이 불가능하지만, 접합 경계 부근에서는 양전하에서 음전하 영역으로, 즉 n영역에서 p영역으로의 전계를 유도하게 되므로 이 영역을 공간 전하 영역(Space charge region)이라 한다. 캐리어가 없는 영역이므로 공핍 영역(Depletion region)이라고도 부른다.

이러한 공간 전하에 의해 생성된 전계는 다수 캐리어에 의한 확산 전류의 방향과 반대가 되고 이 전계에 의해 확산 전류를 방해하는 소수 캐리어에 의한 표동(Drift) 성분이 형성된다. 평형 상태에서는 접합을 통해 흐르는 순(Net) 전류는 0이므로 확산 전류와 표동 전류는 서로 정확히 상쇄된다. 따라서 더 이상의 캐리어 확산이 진행되지 않고 멈추게 되는 것이다. 이와 같은 개념을 [그림 2-7]과 같은 에너지 밴드 개념으로 이해해 보자. n형과 p형 반도체를 접합시키면 다수 캐리어들의 확산에 의해 공핍 영역이 생성된다. 열 평형 상태에서는 페르미 준위(E_F)가 일정하며, E_F에 대한 E_C 및 E_V의 상대 위치는 p영역과 n영역 사이에서 변하기 때문에, 공간 전하 영역을 통과할 때 전도대 및 가전자대가 휘게 된다. 이렇게 되면 n영역의 전도대에 있는 전자들은 p영역의 전도대로 이동하려고 할 때 전위 장벽을 느끼게 되고 정공 역시 반대 방향의 전위 장벽을 느끼게 되는데 이 전위 장벽을 내부 전위(Built-In potential, V_bi) 또는 고유 전위 장벽 등으로 부른다. 진성 페르미 준위(E_i)는 각 영역의 전도대와 가전자대 중앙에 위치하므로 내부 전위는 p영역 및 n영역의 E_i와 E_F 간의 차이로 결정된다. V_bi는 [그림 2-7]의 우측 식과 같이 도펀트의 농도(N_a, N_d)에 로그 함수 형태로 비례하기 때문에 농도에 크게 의존하지는 않고, 통상 실리콘의 경우는 ~0.7V 수준이다.

3. 비평형 상태에서 PN 접합 다이오드의 특성

(1) 순방향 바이어스 상태 [그림 2-8(a)]

열 평형 상태의 PN 접합 다이오드에 전압을 인가하면, 비평형 상태가 되어 더 이상 일정한 페르미 준위를 갖지 않는다. n영역에 대하여 p영역에 양의 전압(V_f)이 인가되면, 총 내부 전위는 열 평형 상태에서 형성된 내부 전위(V_bi)보다 낮아져 (V_bi - V_f)로 감소하고 인가된 전압으로 유도된 전기장은 열 평형 상태의 공핍 영역 전계(E)와 반대 방향이므로, 공핍 영역의 순 전기장은 평형에서의 값보다 작아진다. 이러한 공핍 영역에서 순 전기장의 감소는 다수 캐리어가 공간 전하 영역을 가로지르려는 확산 운동을 막지 못하게 되어 PN 접합에 전류가 흐르게 되는데, 이 조건을 순방향 바이어스 상태라고 한다.

(2) 역방향 바이어스 상태 [그림 2-8(b)]

반대로 p영역에 대하여 n영역에 양의 전압(V_r)이 인가될 때의 PN 접합은, 캐리어의 이동이 제한되는 역방향 바이어스 상태라고 한다. 이러한 조건에서는 열 평형 상태에서 형성된 내부 전위와 같은 방향의 전압이 인가되고, p 및 n 중성 영역에서의 전압 강하는 매우 작아 인가된 대부분의 전압은 공핍 영역에 걸리게 된다. 따라서 접합부의 총 내부 전위는 열 평형 상태의 내부 전위 장벽(V_bi)보다 커져 (V_bi + V_r)로 증가하게 되고, 이에 따라 공핍 영역의 폭도 증가하는 결과를 가져온다. 이러한 내부 전위의 증가로 다수 캐리어의 확산 전류는 거의 없고 소수 캐리어에 의한 표동 전류만 존재하는데, 이때 소수 캐리어의 농도가 매우 낮으므로 역방향 바이어스 조건에서의 전류는 거의 없는 셈이다.