p-n 접합 다이오드

p-n 접합 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체가 접합을 이루어 형성된 반도체다이오드이다 (그림 1). 다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하고 반대쪽 방향으로는 흐르지 않게 하는 작용을 하는 장치이다.

그림 1. pn접합 다이오드를 표시하는 기호. 삼각형쪽이 p형 반도체이고 그 반대쪽이 n형 반도체 이다. (출처:)

p-n 접합 다이오드는 반도체 기반의 전자회로를 구성하는 가장 기본 단위가 된다.

전원 혹은 바이어스 전압이 연결되지 않은 상태에서 p-n 접합을 만들면, 접합부 근처에서 p형 반도체와 n형 반도체에 각각 존재하는 전하 운반자인 양공과 전자는 상대적인 밀도 차이로 인해 서로를 향해서 확산해 나가게 된다. 이렇게 각각의 전하 운반자가 확산하면 접합부 근처의 p형 반도체 쪽에는 (-) 전하를 띈 받개 이온, 이와는 반대로 n형 반도체 쪽에는 (+) 전하를 띈 주개 이온이 존재하게 된다. 따라서 p-n 접합부 근처는 더이상 전기적으로 중성이 아니라 전하를 띄게 되므로 이 영역을 공간 전하 영역, 또는 전하 운반자가 결핍된 영역이어서 결핍 영역이라고 부른다. 이로 인하여 접합부 근처에 전위차가 형성하게 되는데, 이를 빌트인 퍼텐셜이라고 부른다. 빌트인 퍼텐셜은 전하 운반자의 확산에 의해 점점 더 커지게 되지만, 형성된 전기장으로 인하여 전하 운반자는 반대 방향으로 움직이게 된다. 따라서 바이어스 전압이 걸려있지 않은 상태에서 전하 운반자는 서로 반대 방향으로 움직이게 하려는 두 가지 요인으로 인하여 더 이상 이동하지 못하는 평형상태에 도달하게 된다. 이를 열적 평형 상태라고 부른다. 그림 2는 열적 평형 상태에 있는 p-n 접합 다이오드에서 관측되는 전하운반자의 밀도, 전기장 및 빌트인 포텐셜의 위치에 대한 함수 그래프를 보여준다.

그림 2. 바이어스 전압이 걸려있지 않을 때 열적 평형상태에 있는 pn 접합 다이오드. 파란선과 빨간 선은 위치에 따른 전자와 양공의 농도를 나타낸 것이다. 양쪽의 회색 영역은 전기적으로 중성인 영역이고 붉은 영역과 푸른 영역은 각각 전기적으로 양과 음의 전하를 띄고 있는 영역을 나타낸다. 그 아래 그림은 각각 위치에 따른 전하밀도, 전기장, 전위를 나타낸 것이다. (출처: )

이러한 p-n 접합에 (+) 전극을 p형 반도체쪽에, (-) 전극을 n형 반도체쪽에 연결하여 바이어스를 걸어주는 경우, n형 반도체에 있는 전자가 p형 반도체에 존재하는 양공을 채우기 위해 p형 반도체쪽으로 이동하게 된다. 이렇게 이동한 전자는 n형 반도체에 양공을 남기게 되므로, 양공은 p형 반도체에서 n형 반도체로 이동한 것과 같은 효과를 준다. 이렇게 옮겨진 전자와 양공은 전원으로부터 연결된 전극으로 빠져 나가게 되고 p-n 접합 다이오드에 전류가 계속해서 흐를 수 있게 된다. 이렇게 연결된 바이어스전압을 순방향 바이어스라고 한다. 만약 바이어스 전압을 반대 방향으로 연결하게 되면, p형 반도체의 양공과 n형 반도체의 전자가 p-n 접합부를 서로 건너가지 못하게 되어 전류가 흐르지 않게 되기 때문에, 이렇게 연결돤 바이어스전압을 역방향 바이어스라고 한다. 이처럼 바이어스 전압의 방향에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않게 되는 작용을 정류작용이라고 한다.