PN 접합 다이오드
PN 접합 다이오드는 p형 반도체가 n형 반도체에 융합되어 다이오드 접합 전체에 잠재적 장벽 전압이 생성될 때 형성됩니다.
PN 접합 다이오드는 전하가 저장되는 공핍 영역으로 분리된 p 영역과 n 영역으로 구성됩니다. 이전 튜토리얼에서 설명한 효과는 실제 PN 접합에 외부 전압을 가하지 않고도 달성되어 접합이 평형 상태가 됩니다.
그러나 N형 물질과 P형 물질의 양쪽 끝에 전기적 연결을 만들어 배터리 소스에 연결하면 이제 전위 장벽을 극복할 수 있는 추가 에너지원이 존재하게 됩니다.
이러한 추가 에너지원을 추가하면 자유 전자가 공핍 영역을 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동할 수 있게 됩니다. 전위 장벽의 폭과 관련된 PN 접합의 동작은 PN 접합 다이오드 로 더 잘 알려진 비대칭 전도 2단자 장치를 생성합니다 .
PN 접합 다이오드는 가장 간단한 반도체 소자 중 하나이며, 한 방향으로만 전류를 통과시키는 전기적 특성을 가지고 있습니다. 그러나 저항과 달리 다이오드는 인가된 전압에 대해 선형적으로 동작하지 않습니다. 대신 지수적인 전류-전압(IV) 관계를 가지므로 단순히 옴의 법칙과 같은 방정식을 사용하여 동작을 설명할 수 없습니다.
PN 접합의 두 끝 사이에 적절한 양의 전압(순방향 바이어스)이 적용되면 PN 접합 주위의 공핍층 폭이 감소함에 따라 접합을 통과하는 데 필요한 추가 에너지로 자유 전자와 정공을 공급할 수 있습니다. .
음의 전압(역 바이어스)을 적용하면 접합부에서 자유 전하가 끌어당겨져 공핍층 폭이 증가하게 됩니다. 이는 다이오드 pn 접합을 통한 전류 흐름을 허용하거나 차단하는 접합 자체의 유효 저항을 증가시키거나 감소시키는 효과가 있습니다.
그리고 공핍층은 역방향 전압을 인가할수록 넓어지고, 순방향 전압을 인가할수록 공핍층은 좁아진다. 이는 PN 접합 양쪽의 전기적 특성 차이로 인해 물리적 변화가 발생하기 때문입니다. 결과 중 하나는 PN 접합 다이오드의 정적 IV(전류-전압) 특성에서 볼 수 있듯이 정류를 생성합니다. 정류는 아래와 같이 바이어스 전압의 극성이 바뀌면 비대칭적인 전류 흐름으로 나타납니다.
접합 다이오드 기호 및 정적 IV 특성
그러나 PN 접합을 실용적인 장치나 정류 장치로 사용하기 전에 먼저 접합을 바이어스 해야 합니다. 즉, 접합에 전압 전위를 연결해야 합니다. 위의 전압 축에서 "역 바이어스"는 전위 장벽을 증가시키는 외부 전압 전위를 나타냅니다. 전위 장벽을 감소시키는 외부 전압은 "순방향 바이어스" 방향으로 작용한다고 합니다.
표준 접합 다이오드 에는 두 가지 작동 영역과 세 가지 가능한 "바이어싱" 조건이 있으며 이는 다음과 같습니다.
- 1. 제로 바이어스 – PN 접합 다이오드에 외부 전압 전위가 적용되지 않습니다.
- 2. 역방향 바이어스 - 전압 전위는 다이오드 전반에 걸쳐 P형 재료에 음(-ve), N형 재료에 양(+ve)으로 연결되어 PN 접합 다이오드의 폭을 늘리는 효과가 있습니다 .
- 3. 순방향 바이어스 - 전압 전위는 다이오드 전반에 걸쳐 P형 재료에 양극(+ve)으로 연결되고 N형 재료에 음극(-ve)으로 연결 되어 PN 접합 다이오드 폭을 줄이는 효과가 있습니다 .
제로 바이어스 접합 다이오드
제로 바이어스 조건 에서 다이오드를 연결하면 PN 접합에 외부 위치 에너지가 적용되지 않습니다. 그러나 다이오드 단자가 함께 단락되면 전위 장벽을 극복할 만큼 충분한 에너지를 가진 P형 재료의 몇 개의 홀(주 캐리어)이 이 장벽 전위에 맞서 접합부를 가로질러 이동합니다. 이는 " 순방향 전류 "로 알려져 있으며 I F 로 참조됩니다.
마찬가지로, N형 물질(소수 캐리어)에서 생성된 정공은 이러한 상황이 유리하다고 판단하여 접합을 가로질러 반대 방향으로 이동합니다. 이를 " 역전류 " 라고 하며 I R 이라고 합니다 . 아래와 같이 PN 접합을 가로질러 전자와 정공이 앞뒤로 이동하는 것을 확산이라고 합니다.
제로 바이어스 PN 접합 다이오드
현재 존재하는 잠재적 장벽은 접합을 통해 더 이상 다수 캐리어가 확산되는 것을 방해합니다. 그러나 전위 장벽은 소수 캐리어(P 영역에 자유 전자가 거의 없고 N 영역에 정공이 거의 없음)가 접합을 가로질러 표류하는 데 도움이 됩니다.
그런 다음 다수 캐리어가 동일하고 둘 다 반대 방향으로 움직일 때 "평형" 또는 균형이 설정되어 최종 결과는 회로에 흐르는 전류가 0이 됩니다. 이런 일이 발생하면 접합은 " 동적 평형 " 상태에 있다고 합니다 .
열에너지에 의해 소수 캐리어가 지속적으로 생성되기 때문에 PN 접합의 온도를 높이면 이러한 평형 상태가 깨져 소수 캐리어의 생성이 증가하게 되어 누설 전류는 증가하지만 전류는 흐르지 못하게 된다. PN 접합에 회로가 연결되지 않았기 때문입니다.
역방향 바이어스 PN 접합 다이오드
다이오드를 Reverse Bias 상태로 연결하면 N형 물질에는 양의 전압이, P형 물질에는 음의 전압이 인가됩니다.
N형 물질에 적용된 양의 전압은 전자를 양극 쪽으로 끌어당겨 접합부에서 멀어지게 하고, P형 끝에 있는 정공도 접합부에서 음극 쪽으로 끌어당깁니다.
결과적으로 공핍층은 전자와 정공의 부족으로 인해 더 넓어지고 높은 임피던스 경로를 제공하며 거의 절연체에 가깝고 높은 전위 장벽이 접합부 전체에 생성되어 전류가 반도체 재료를 통해 흐르는 것을 방지합니다.
역바이어스로 인한 공핍층 증가
이 조건은 PN 접합에 대한 높은 저항 값을 나타내며 바이어스 전압이 증가함에 따라 접합 다이오드를 통해 실질적으로 0 전류가 흐릅니다. 그러나 일반적으로 마이크로암페어( μA ) 단위로 측정할 수 있는 매우 작은 역방향 누설 전류가 접합부를 통해 흐릅니다 .
마지막으로, 다이오드에 적용된 역방향 바이어스 전압 Vr이 충분히 높은 값으로 증가하면 다이오드의 PN 접합이 과열되어 접합 주변의 눈사태 효과로 인해 고장이 발생하게 됩니다. 이로 인해 다이오드가 단락되어 최대 회로 전류가 흐르게 되며 이는 아래 역정특성 곡선에서 하향 기울기로 표시됩니다.
접합 다이오드의 역특성 곡선
때때로 이 눈사태 효과는 직렬 제한 저항을 다이오드와 함께 사용하여 역방향 항복 전류를 사전 설정된 최대값으로 제한함으로써 다이오드 전체에 고정 전압 출력을 생성하는 전압 안정화 회로에 실제로 적용됩니다. 이러한 유형의 다이오드는 일반적으로 제너 다이오드로 알려져 있으며 이후 자습서에서 설명합니다.
순방향 바이어스 PN 접합 다이오드
순방향 바이어스 상태 로 다이오드를 연결하면 N형 물질에는 음의 전압이, P형 물질에는 양의 전압이 인가됩니다. 이 외부 전압이 전위 장벽의 값보다 커지면 약. 실리콘의 경우 0.7V, 게르마늄의 경우 0.3V이면 전위 장벽 반대가 극복되고 전류가 흐르기 시작합니다.
이는 음의 전압이 전자를 접합쪽으로 밀거나 밀어내서 양의 전압에 의해 접합을 향해 반대 방향으로 밀려나는 정공과 교차하고 결합할 수 있는 에너지를 제공하기 때문입니다. 이로 인해 정적 곡선에서 "니(knee)"라고 하는 이 전압 지점까지 흐르는 전류가 0인 특성 곡선이 생성되고, 아래에 표시된 것처럼 외부 전압이 거의 증가하지 않고 다이오드를 통해 높은 전류가 흐릅니다.
접합 다이오드의 순방향 특성 곡선
접합 다이오드에 순방향 바이어스 전압을 적용하면 공핍층이 매우 얇고 좁아지게 되어 접합을 통과하는 낮은 임피던스 경로를 나타내므로 높은 전류가 흐르게 됩니다. 전류가 갑자기 증가하는 지점은 위의 정적 IV 특성 곡선에서 "무릎" 지점으로 표시됩니다.
순방향 바이어스로 인한 공핍층 감소
이 조건은 바이어스 전압을 조금만 증가시키면서 매우 큰 전류가 다이오드를 통해 흐를 수 있도록 하는 PN 접합을 통한 낮은 저항 경로를 나타냅니다. 접합 또는 다이오드의 실제 전위차는 공핍층의 작용에 의해 게르마늄의 경우 약 0.3v, 실리콘 접합 다이오드의 경우 약 0.7v로 일정하게 유지됩니다.
다이오드는 사실상 단락 회로가 되므로 이 무릎 지점 위에서 "무한" 전류를 전도할 수 있으므로 전류 흐름을 제한하기 위해 다이오드와 직렬로 저항기를 사용합니다. 최대 순방향 전류 사양을 초과하면 장치가 설계된 것보다 더 많은 전력을 열의 형태로 소모하게 되어 장치가 매우 빠르게 고장나게 됩니다.
튜토리얼 요약
접합 다이오드 의 PN 접합 영역에는 다음과 같은 중요한 특성이 있습니다.
- 반도체에는 "정공"과 "전자"라는 두 가지 유형의 이동 전하 캐리어가 포함되어 있습니다.
- 정공은 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띤다.
- 반도체는 주로 전자인 이동 전하를 포함하도록 안티몬(N형 도핑)과 같은 도너 불순물로 도핑될 수 있습니다.
- 반도체는 붕소(P형 도핑)와 같은 억셉터 불순물로 도핑되어 주로 정공인 이동 전하를 포함하게 됩니다.
- 접합 영역 자체에는 전하 캐리어가 없으며 공핍 영역으로 알려져 있습니다.
- 접합(공핍) 영역은 인가되는 전압에 따라 물리적인 두께가 변합니다.
- 다이오드가 제로 바이어스 되면 외부 에너지 소스가 적용되지 않으며 실리콘 다이오드의 경우 약 0.5~0.7V, 게르마늄 다이오드의 경우 약 0.3V인 공핍층 전체에 자연적인 전위 장벽이 생성됩니다.
- 접합 다이오드가 순방향 바이어스 되면 공핍 영역의 두께가 감소하고 다이오드는 전체 회로 전류가 흐르도록 허용하는 단락 회로처럼 작동합니다.
- 접합 다이오드가 역방향 바이어스 되면 공핍 영역의 두께가 증가하고 다이오드는 전류 흐름을 차단하는 개방 회로처럼 작동합니다(아주 작은 누설 전류만 흐르게 됩니다).
또한 위에서는 다이오드가 IV 특성이 적용된 전압의 극성( V D ) 에 따라 극성이 달라지는 2단자 비선형 장치라는 것을 확인했습니다. 다이오드는 순방향 바이어스 ( V D > 0) 또는 역방향 바이어스 ( V D ) 입니다. < 0 . 어느 쪽이든 다음과 같이 이상적인 다이오드와 실제 실리콘 다이오드 모두에 대해 이러한 전류-전압 특성을 모델링할 수 있습니다.
이상적이고 실제적인 특성
다이오드에 대한 다음 튜토리얼에서는 일반 전자 회로에 사용되는 스위칭 다이오드라고도 불리는 소신호 다이오드에 대해 살펴보겠습니다. 이름에서 알 수 있듯이 신호 다이오드는 무선 또는 디지털 스위칭 회로와 같은 저전압 또는 고주파 신호 애플리케이션용으로 설계되었습니다.
1N4148과 같은 신호 다이오드는 일반적으로 실리콘 다이오드가 사용되는 고전류 주 정류 다이오드와 달리 매우 작은 전류만 통과합니다. 또한 다음 튜토리얼에서는 신호 다이오드 정적 전류-전압 특성 곡선과 매개변수를 살펴보겠습니다.