PN diode
Diode의 정의는 두개의 전극만으로 구성되고, 한 방향으로만 전류가 흐르게 만든 소자이고 PN diode는 PN junction만으로 구성되는 다이오드를 말한다. 기호는 다음과 같고 +전압을 걸어서 흐르는 부분을 Anode 그 반대방향을 Cathode라고 한다.
이상적인 diode의 전류가 흐르는 형태는 다음과 같다.
말그대로 이것은 이상적인 다이오드의 그래프형태이고, 실제로는 약간의 기울기를 가진다고 알고있자.
PN diode 내부의 캐리어 분포를 살펴보면 다음과 같다.
캐리어 분포에서 중요한 것은 파란색과 빨간색 면적의 공핍영역(depletion region)이다. 지금부터 공핍영역을 파헤쳐보며 PN diode가 어떤 형태를 띄는지 한번 보자.
첫번째 그림은 p형 반도체와 n형 반도체가 접합한 순간이다. 앞서 배웠듯이 p형 반도체에는 3족 불순물이 주입된 상태라 정공(+)으로 차있고 n형 반도체는 5족 불순물이 주입된 상태라 전자(-)로 차있다.
이제 접합을 하고 난 두번째 그림으로 가보자. 여기서부터 많이 헷갈려하는데 어려울 것 없다. 둘을 붙여놓았으니 정공은 n형방향으로 가고싶어하고 전자는 p형 방향으로 가고싶어 한다. 이것을 확산(Diffusion)이라고 한다. 확산의 과정 속에서 전자와 정공은 재결합을 하게된다. 이 말은 전자와 정공이라는 캐리어가 없어진다는 말이다. 그렇게 되서 자연스레 p형반도체에는 음이온과 n형 반도체에는 양이온이 남게 된다.
순간적으로 이 과정을 거치고나면 중간영역에는 이온들만 고정된 상태로 남게 되고 전계를 발생한다. 이를 평형상태라고 하고 캐리어가 없는 상태이지만 전하는 있기 때문에 Space charge region(SCR)이라고 한다. 즉, SCR과 공핍영역은 같은 말이다.
다시 한번 강조하지만 이 구간은 캐리어가 없고 강력한 전계가 흐르므로 공핍영역에 들어온 전자나 정공은 급격하게 가속된다는 사실을 염두하자.
에너지 밴드 개념으로 접근해보면 다음과 같다.
이를 기반으로 PN diode에 정방향 전압이 걸렸을 때를 우선으로 보자.
정방향 전압이 걸리면 그림판에서 그린 것과 같이 built-in 전위 장벽이 감소하여 다수캐리어들이 이동하기 쉬워지고 공핍영역이 줄어든다. 스위치를 on할때의 특성으로 사용하며 다수캐리어들에 의해 큰 전류가 발생한다.
반대로 역방향 전압이 걸렸다고 가정해보면, built-in 전위 장벽이 높아져 다수캐리어들이 각각의 전극으로 이동하게 될 것이고 공핍영역은 증가한다. 스위치를 off할때의 특성으로 사용하며 소수캐리어가 미끄러지며 매우 작은 전류가 발생한다.
PN diode의 breakdown
PN diode의 breakdown은 크게 Avalanche breakdown과 Zener breakdown이 있다. 우선 breakdown은 전류를 control할 수 없을 때 쓰이는 용어이다. 이 둘은 역방향 바이어스가 걸릴때 생성됨을 염두하고 간단하게만 알아두고 넘어가자.
Avalanche breakdown : diode에서 역방향으로 흐르는 전자가 공핍영역에 진입하게 되면 열생성에 의한 전자-정공 쌍이 생성되고 공핍영역에는 전계가 흐르므로 전자의 운동에너지가 증가하게 된다. 이 운동에너지가 격자와 충돌하며 전자-정공 쌍을 반복하며 (carrier multiplication) 생성하게 된다. 원인은 충돌에 의해 이온화가 되는 impact ionization에 의한 것을 염두하고 넘어가자.
Zener breakdown : 캐리어가 전위 장벽보다 낮은 에너지 상태에서도 확률적으로 밖으로 튀어나가는 Tunneling 현상을 보이는 것을 말한다. 같은 에너지 장벽의 한쪽만 채워진 상태와 전위장벽의 폭은 매우 얇아야 함을 알아두고 넘어가자.
참고로 I-V그래프를 그려보면 다음과 같다.
