PN접합 바이어스에 대하여

안녕하십니까

전력전자와 각종MCU를 공부하고 최종적으로 작품을 만드는 전자 장인 입니다 

 

오늘의 주제는

반도체의 기본 PN접합 바이어스(bias)

지난 시간까지 반도체 기본 개념을 공부하였으며 PN 접합이 어떤 식으로 구성되는지 확인하였습니다.

따라서 오늘은 PN 접합 정방향 바이어스 및 역방향 바이어스에 대하여 자세히 공부하는 시간을 가지겠습니다.

 

1. 역방향 바이어스

P형 단자에는 -단자를 N형 단자에는 +단자를 연결하는 것으로 역방향 바이어스를 형성할 수 있습니다.

이렇게 역방향 바이어스가 형성되면 퍼텐셜 장벽이 증가하게 됩니다.

퍼텐셜 장벽의 증가로 결핍층 내에서 접합면을 통해 확산하는 전하를 차단하게 됩니다.

(P형에서 N형으로 흐르는 전하의 움직임을 억제)

 

역 방향 바이어스 정상상태 소수 캐리어 밀도

결핍층의 너비가 증가하여 해당 영역의 소수 캐리어는 소멸하며

결핍 영역 가장자리에서 소수 캐리어 밀도는 0이 됩니다.

이렇게 결핍층 양 단 소수 캐리어의 밀도차가 발생하여 diffusion flux를 유발하게 됩니다.

 

또한 결핍층 외부의 소수 캐리어가 결핍층에 도달하게 되면

결핍층 내부의 자기장 (drift)에 의하여 접합면을 통과하게 되고

이로 인해 전류가 흐르게 되는데

그것을 누설전류 (-I_o)이라고 명칭 합니다.

 

열 이온화 효과로 인하여 온도 증가 시 누설 전류량이 증가하며

데이터 시트를 통해 온도에 따른 누설 전류량을 확인할 수 있습니다.

 

이러한 누설전류는 역전압과 무관하게 발생하고 온도에 관계가 있음을 알 수 있습니다.

아래 그림은 PN 접합 V-I특성 곡선으로 역방향 바이어스와 누설전류를 나타냅니다.

역방향 바이어스 전압이 증가하여도 누설 전류량은 동일하며

PN 접합 다이오드의 역방향 전압 정격을 넘는 순간

다이오드가 소손되어 전류가 흐르는 모습을 나타냅니다,

역방향 바이어스 및 누설전류

자세한 내용은 아래 글을 참고 부탁드립니다.

2022.03.22 - [전력전자/전력전자기초] - 다이오드 종류 및 특징

다이오드 종류 및 특징

 

2. 순방향 바이어스

P형 단자에는 +단자를 N형 단자에는 -단자를 연결하는 것으로

순방향 바이어스를 형성할 수 있습니다.

순방향 전압에 의하여 퍼텐셜 장벽이 감소하며 drift - diffusion 평형이 붕괴됩니다.

Diffusion에 의하여 P형에서 N형으로 전류가 흐르게 됩니다.

 

P형에서 N형 or N형에서 P형으로 캐리어가 유입되면

소수 캐리어 밀도는 결핍층 부근에서 최대가 됩니다.

이렇게 유입된 소수 캐리어는 확산을 하게 되며 다수 캐리어와 재결합을 이루게 됩니다.

순방향 바이어스 정상상태 소수 캐리어 밀도

 

P형 반도체 내 전자의 diffusion length는 아래 식과 같습니다.

N형 반도체 내 정공의 diffusion length는 아래 식과 같습니다.

D_s와 D_p는 확산 상수를 의미하며 τ_n,τ_p는 소수 캐리어 수명을 의미합니다.

 

또한 결핍층 부근 소수 캐리어 농도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

수식을 살펴보면

지수함수 형태를 나타내고 있으며 외부 전압의 작은 변화에도

P_n과 n_p가 크게 변화하겠다는 것을 알 수 있습니다.

결핍층에서 멀어질수록 소수 캐리어 농도가 급감하며

그로 인해 큰 확산 전류를 유발하게 됩니다.

 

순방향 바이어스가 인가되면 

다이오드 도통에 필요한 전압 0.7V 이상 에서 전류가 흐르게 됩니다.

전압을 조금만 올리더라도 전류가 증가함을 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.

PN접합 V-I 특성 곡선

 

이렇게 PN 접합의 순방향 바이어스와 역방향 바이어스에 대하여 공부하였습니다.

이것으로 반도체 기초를 마무리하며, PN 접합으로 이루어진 다이오드를 어떤 회로에 적용되는지 

다음 시간부터 공부하도록 하겠습니다.

지금까지 전력전자와 각종MCU를 공부하고 최종적으로 작품을 만드는 전자 장인 이었습니다

감사합니다