[첨단 헬로티]

1. pn 접합이란 

캐리어의 이동 

반도체 속에서 캐리어는 드리프트(Drift) 현상, 확산 현상 등에 의해 이동된다. 드리프트라는 것은 반도체에 일정 방향의 전계를 걸었을 때, 캐리어인 정공이나 전자가 전계로부터 힘을 받아 이동하는 현상을 말한다. 

또 확산이라는 것은 물에 잉크를 떨어뜨렸을 때, 주위에 퍼져나가는 것처럼 반도체 속에 캐리어의 농도가 큰 부분으로부터 작은 부분에 걸쳐 캐리어의 이동이 생기는 현상을 말한다[그림 1]. 이와 같이 캐리어의 이동에 의해 생긴 전류를 각각 드리프트 전류, 확산 전류라 한다. 

▲ 그림 1. 캐리어의 이동

캐리어의 주입 

한 진성 반도체 속에 p형과 n형의 불순물 반도체를 인접해 결합시킨 구조를 pn 접합이라고 한다. pn 접합이 형성되면, [그림 2]처럼 n형 영역의 전자는 p형 영역으로, p형 영역의 정공은 n형 영역으로 확산 현상에 의해 이동한다. 상대측 영역에 이와 같이 이동한 캐리어를 주립 캐리어라고 부른다. 

▲ 그림 2. 캐리어의 주입

공핍층이란 

주입된 캐리어는 각각의 영역에서 보면 소수 캐리어라고 할 수 있다. p형과 n형의 양쪽 영역이 서로 접한 면을 접합면이라고 하나, n형 영역의 접한면에 가까운 부분은 전자가 이동해 없어지므로 양전하가 생긴다. 반대로, p형 영역 측에서는 [그림 3]처럼 정공이 이동해 없어지므로 음전하가 생긴다.

▲ 그림 3. 공핍층의 발생

이와 같이 p형과 n형의 접합면에 생긴 캐리어를 잃게 되므로 이 부분을 공핍층이라고 부른다. 접합면에 생긴 음과 향의 전하에 의해 전계가 발생하고, 이 때문에 전자와 정공의 이동이 멈춰져 균형이 잡힌 상태가 된다. pn 접합을 구성한다는 것은 다이오드나 트랜지스터를 만드는데 중요한 일이 된다. 

One Point 위 장벽(Potential barrier)  공핍층에서는 전위의 변화를 볼 수 있다. [그림 4]는 전위 변화의 모양을 나타낸 것이다. pn 접합면에서의 이 전위 기울기는 캐리어의 이동을 방해한다는 의미로서 전위 장벽이라 부른다. 캐리어의 이동을 생기게 하려면 이 전위 자아벽을 낮게할 수 있도록 전압을 걸어주는 방 법을 알아두면 된다. ▲ 그림 4.

2. 다이오드의 구성

순방향 전압을 가한다 

pn 접합에 전류가 흐르기 위해서는 캐리어의 이동이 생기지 않으면 안된다. 

지금 pn 접합의 p형 영역에 양(+)이, n형 영역에 음(-)이 걸리도록 전압을 가해주면 [그림 5]와 같이 접합부의 전위 장벽이 낮아져 캐리어의 이동이 생기며, 접합부를 넘어서 정공이 n형 영역으로 흘러 들어간다. 

▲ 그림 5. 순방향 전압

이와 같이 가해준 전압을 순방향 전압이라 하며, 흘러 들어간 전류를 순방향 전류라고 한다.

역방향 전압을 가한다 

[그림 6]와 같이 n형 영역에 양(+)이, p형 영역에 음(-)이 걸리도록 전압을 가해주면 전위 장벽은 더욱더 커벼 캐리어의 이동은 거의 생기지 않는다(약간의 전류만이 흐른다). 

▲ 그림 6. 역방향 전압

이와 같이 가해주는 전압을 역방향 전압이라 하며, 전류를 역방향 전류라고 한다. 순방향의전압을 순바이어스 전압, 역방향의 전압을 역바이어스 전압이라고 부른다. 

전합 다이오드

이와 같이 일정 방향으로만 전류가 흐르기 쉬운 성질을 가진 pn 접합 소자를 pn 접합 다이오드 또는 다이오드라고 부른다. 

[그림 7]은 pn 접합 다이오드의 특성 곡선을 나타낸 것이다. 다이오드는 [그림 5]에 나타낸 것처럼 2개의 단자를 가진 소자이지만 전류를 흐르게 하기 위한 순방향 전압은 게르마늄 다이오드가 약 0.2V, 실리콘 다이오드가 약 0.6V 정도다[그림 8]. 

▲ 그림 7. pn 접합의 특성 곡선

▲ 그림 8. 다이오드의 특성 곡선

다이오드는 [그림 8]과 같이 전압과 전류의 관계가 비직선성 특징을 가지며, 가해지는 방향에 따라 전류가 흐르는 정도가 크게 변하는 특성을 가진다. 

즉, 순방향에 대해서 약간의 전압으로 순방향 전류가 무조건 흐른다. 

다이오드 규격  다이오드를 안전하게 사용하기 위해 전압, 전류, 전력, 온도 등에 대해 정해진 최대 정격을 넘지 않도록 주의한다.

3. 여러 가지 다이오드 

발광 다이오드(LED) 

발광 다이오드(LED)는 갈륨-인(GaP)m 갈륨-비소(GaAs) 등을 재료로 해 pn 접합을 형성하고 순방향 전압을 가하면 전류가 흘러 이때 접합면에서 발광을 한다. 적색 발광은 p형 반도체 속에 주입된 전조 정공과 결합할 때 생기고, 녹색 발광은 n형 반도체 속에 주입된 정공이 전자와 결합할 때 생긴다. pn 접합면 부근에서 결합할 때의 에너지가 직접 빛으로 변환되는 것이다. 

발광 다이오드는 문자 표시 장치나 광통신의 발진부 등에 이용되고 있다. 광통신이란 전기 신호를 광신호로 변환해 광섬유 케이블을 통해 정보를 전달한다. 

▲ 그림 9. 각종 다이오드의 겉모양

가변용량 다이오드 

pn 접합의 공핍층에는 음양의 전하가 존재하고 있으며, 게다가 움직일 수 없는 상태로 되어 있어서 일종의 콘덴서라고 생각할 수 있다. 공핍층의 폭은 역방향 전압의 크기에 따라 변환된다. 가변 용량 다이오드는 VC(Variable Ca-pacitor) 또는 버랙터(Varactor) 라고 부르며, 공핍층의 폭 변화를 이용한 가변용량 소자다. 

정접압 다이오드

다이오드의 역방향 전압을 높여 나가면 어느 전압값까지는 거의 전류가 흐르지 않지만, 어느 값에 다다르면 급격히 전류가 증가한다. 정접압 다이오드는 제너(Zenor) 다이오드라고도 하며, 항복 현상이 일어나는 범위에서는 전류의 넓은 범위에 걸쳐서 전압이 일정하다는 성질을 이용한 정전압 소자다. 

레이저 다이오드 

광파이버 통신은 대용량의 공중 통신, 정보 처리 등 고아범위하게 응용되고 있으나 광원으로서 가장 유망시 되고 있는 것이 레이저 다이오드다. 이 다이오드에 순방향 전류를 흘려주면 활성층이 반사경과 같은 작용을 일으켜 레이저광을 발진한다.