1. PN Diode란?
(1) 진성반도체에 3족 불순물을 주입한 P형 반도체와 5족 불순물을 주입한 N형 반도체를 접합한 다이오드다.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/pnjun.html
※ P형 반도체: 최외각 전자가 4개인 4가 원소의 진성반도체에 3가 원소를 불순물로 주입해 만든 반도체로 Free Hole(자유 정공)이 다수 캐리어다. 이때 주입하는 불순물을 억셉터라고 하며 이 불순물에 의해 생성된 준위를 억셉터 준위라고 한다.
※ N형 반도체: 최외각 전자가 4개인 4가 원소의 진성반도체에 5가 원소를 불순물로 주입해 만든 반도체로 Free electron(자유전자)이 다수 캐리어다. 이때 주입하는 불순물을 도너라고 하며 이 불순물에 의해 생성된 준위를 도너 준위라고 한다.
2. PN Diode의 공핍층이란?
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/pnjun.html
(1) P형 반도체와 N형 반도체 사이에는 서로의 다수 캐리어가 결합해 캐리어가 존재하지 않고, 양이온과 음이온에 의한 공간전하만 남아 있는 공핍층이 존재한다.
(2) 공핍 영역의 공간전하는 접합면 내부에 전계를 발생시킨다. 그리고 이 전계로 인해 양측에 전위차(Built in Potential)이 발생하게 된다. -> 캐리어는 없지만 강력한 전기장이 생성되게 되는데, 이때 공핍층에 들어온 캐리어는 급격하게 가속된다.
https://www.studyelectronics.in/pn-junction-diode/
※ 접합 초기에는 접합면에서 반응이 일어나지 않지만, 시간이 지나며 Drift 이동과 Diffusion 현상에 의해서 서로의 다수 캐리어가 결합하게 된다.
※ Diffusion: 캐리어 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상(농도차이에 의해 발생)이다.
※ Drift 이동: Diffusion에 의해 서로의 다수 캐리어가 결합하게 되고, P형 반도체 접합면에 있는 양이온과 N형 반도체 접합면에 있는 음이온 사이에서 전계가 발생하며 N형 반도체에서 P형 반도체로 전자가 이동하는 현상이다.
※ 공간전하: 전하를 가진 입자가 물체에 속박되어 있지 않을 뿐만 아니라 이동하지도 않으며 한 공간에 머물러 있는 상태를 말한다.
3. PN Diode의 정방향 전압 (Forward bias)
(1) P형 반도체에 (+) 전압을 인가해주고 N형 반도체에 (-) 전압을 인가하는 것을 PN Diode 정방향 전압이라고 한다. 이렇게 전압을 인가해주면 전위 장벽이 낮아지게 된다. N형 반도체의 전자가 P형 반도체 쪽으로, P형 반도체의 정공이 N형 반도체 쪽으로 급격하게 흐르게 되고 이에 따라 공핍층이 줄어들게 되며 전류 역시 급격하게 증가한다. 즉 정방향 전압을 인가하면 다수 캐리어에 의해 큰 전류가 발생하고 스위치의 on 특성으로 사용된다.
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PN Diode의 역방향 전압 (Reverse bias)
(1) P형 반도체에 (-) 전압을 인가해주고 N형 반도체에 (+) 전압을 인가해주는 것이 PN 다이오든 역방향 전압이다. 전위 장벽이 증가한다. P형 반도체의 다수 캐리어인 정공이 P형 반도체의 전극으로 N형 반도체의 다수 캐리어인 전자가 N형 반도체의 전극으로 이동한다. 따라서 공핍층의 영역이 넓어지고 두 반도체의 소수 캐리어로 인해 아주 약한 전류가 흐르게 된다. 즉 스위치의 off 특성으로 사용된다.
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(2) PN Diode의 Breakdown 현상
역방향 전압을 인가하게 되면 아주 약하게 전류가 흐르지만, 역방향 전압을 계속 증가시키면 갑자기 전류가 흐르게 되는데 이를 Breakdown 현상(항복 현상)이라고 한다.
Avalanche Breakdown: Impact ionization(자유전자와의 충돌로 입자가 이온화되는 현상)에 의해서 발생하는 항복 현상으로 이러한 현상이 계속해서 반복되면 이온화로 생성되는 2차 전자들이 기하급수적으로 증가하며 급격히 전류가 증가한다.
Zener Breakdown: 낮은 역전압 상태에서도 강한 전기장에 의해 전류가 흐르게 되는 현상으로 P형 반도체와 N형 반도체에 농도를 아주 높게 도핑해야 발생한다. (고농도로 도핑하게 되면 전위 장벽의 폭이 얇아져 Tunneling 현상이 발생한다.) Avalanche Breakdown과는 다르게 도핑 농도 조절로 원하는 전압을 얻을 수 있어 Zener 전압을 가진 소자를 만들 수 있다.