[다이오드] 다이오드에 대하여.....

■ 진성 반도체 , 불순물 반도체
진성 반도체 : 불순물이 전혀 들어 있지 않은 순수한 반도체
불순물 반도체 : N형 반도체 , P형 반도체

¤ 도핑(Doping) : 반도체에 불순물을 첨가하는 것 ¤

  ◇ N형 반도체 : 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)의 순수한 단결정에 원자가가 5가인 불순물 인(P), 비소(As),안티몬(Sb) 등을 넣은 반도체. 이 N형 반도체에서는 전자가 다수운반자(majority carrier)이며 정공이 소수운반자(minority carrier)이다. 그리고 5가의 불순물 원소를 도우너(donor)라 하는데, 이는 전자를 준다는 의미이다.

  ◇ P형 반도체 : 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)의 순수한 단결정에 원자가가 3가인 불순물 붕소(B), 갈륨(Ga) 등을 넣은 반도체. 이 P형 반도체에서는 정공이 다수 운반자(majority carrier)이며 전자가 소수운반자(minority carrier)이다. 그리고 3가의 원소를 억셉터(acceptor)라 하는데, 이는 전자를 받아들일 수 있다는 의미이다.

 ¤참고¤
   N형 반도체의 N은 Negative의 약자로 (-) 부호를 의미하며, P형 반도체의 P는 Positive의 약자로 (+) 부호를 의미한다.

■ 공핍층(Depletion layer)과 전위장벽(barrier potential)
 아래와 같이 P형반도체와 N형 반도체를 서로 접합시키면 N형 반도체에서 소량의 전자가 접합면을 넘어서 P형 반도체로 확산 될 때마다 한쌍의 이온이 생긴다. 이러한 이온은 공유결합 때문에 자유전자와 정공처럼 이동할 수 없다. 따라서 접합면 근처에서 고정되어 있고 결국 이온의 생성은 전자와 정공의 결합으로 소멸되는 현상과 같아 전자와 정공이 존재하지 않는 공간이 생기며 이를 공핍층이라 부른다.

 공핍층에 걸리는 전위의 차이를 전위 장벽이라 한다. 상온 25℃에서 실리콘 다이오드의 전위장벽은 0.7V이며, 게르마늄 다이오드인 경우는 0.3V의 전위 장벽을 갖는다.

■ 다이오드(Diode) : di(둘) ＋ ode(전극)
 P형 반도체와 N형 반도체를 붙이면 다이오드가 탄생한다. 이와 같이 P형 반도체와 N형 반도체를 결합시킨 것을 PN접합이라고 하며, 이 PN접합으로 되어 있는 다이오드를 접합형 다이오드라 하고 현재 가장 일반적으로 사용되고 있다. 또, 다이오드는 발(리드선)이 2개 있는데 P형 반도체에서 나오는 발을 애노드(Anode)라하여 (+)극을 갖으며, N형 반도체로부터 나오는 발을 캐소드(Kathode)라 하여 (-)극을 가진다. 그리고 다이오드의 가장 큰 특성은 다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 한다는 것이다.

■ 순방향 바이어스 (Forward bias)
 순방향 바이어스란 전원의 +단자가 P형 반도체에 연결되고 -단자가 N형 반도체에 연결되었을 때를 말한다.
전기를 흐르게 하는 것은 전자와 정공이라는 2개의 캐리어로 이 캐리어가 움직이면 전류가 흐르게 된다.

 P형 반도체에는 정공(hole), N형 반도체에는 전자(electron)가 존재하므로 위의 그림과 같이 P형 영역쪽에 전지의 +극을 연결하고, N형 영역쪽에 -극을 연결하여 전압을 걸면 전자는 전기에 이끌려 P형 영역으로 이동하고 정공은 전기에 이끌려 N형 영역으로 이동하게 된다. 이렇게 하여 P형 영역에서 N형 영역으로 전류가 흐르게 된다. 



■ 역방향 바이어스 (Backward bias)
역방향 바이어스란 전원의 +단자가 N형 반도체에 연결되고 -단자가 P형 반도체에 연결되었을 때를 말한다.

 위의 그림과 같이 P형 영역쪽에 전지의 -극을 연결하고, N형 영역쪽에 +극을 연결하여 전압을 걸면 전자는 전기에 이끌려 N형 영역으로 이동하고 정공은 전기에 이끌려 P형 영역으로 이동하게 된다. 이렇게 하면 P와 N의 접합면을 통과하는 캐리어가 하나도 없으므로 전류는 흐르지 않게 된다.
 
■ 다이오드 순방향 특성 실험
 다이오드에 순방향 전압을 인가하면 순방향 전류가 흐른다. 그러나 이 순방향 전압이 매우 작게 되면 비록 순방향일지라도 전류는 거의 흐르지 않게 된다. 아래의 그림은 다이오드의 순방향 특성 실험을 위한 장치도이다.

 위에 있는 다이오드 순방향 특성 실험 결과는 아래의 그래프와 같다. 실리콘 다이오드는 0.7V 정도에서, 게르마늄 다이오드는 0.3V 정도부터 급격히 많은 전류가 흐르게 됨을 알 수 있다. 즉, 다이오드는 순방향에서도 전압이 낮으면 전류는 거의 흐르지 않으나 어느 전압을 초과하면 갑자기 많은 전류가 흐르게 된다. 이와 같이 전류의 양이 급격히 증가하는 전압을 임계 전압(knee voltage)이라 한다.

 
■ 다이오드의 역방향 특성 실험
아래와 같이 다이오드에 역방향 전압을 걸면 역방향 전류는 흐르지 않는다고 앞에서 설명하였다. 

 그러나 실제로는 이 역방향 전압을 점점 크게 하면 이 전압이 어떤 임의의 값을 초과 하는 순간, 다이오드는 더 이상 견디지 못하고 단숨에 전류가 흐르게 됨을 알 수 있다.

 그 특성은 아래의 그래프와 같다. 즉, 역방향 전압이 작은 동안에는 역방향 전류도 거의 흐르지 않으나 역방향 전압을 크게 할수록 다이오드가 더 이상 견딜 수 없게 되어 마치 고장난 것처럼 급격히 많은 양의 전류를 흘리게 한다. 게르마늄 다이오드에서는 약 60V정도부터 실리콘 다이오드인 경우에는 100V정도부터 되어 있다. 여기서 많은 양의 전류가 흐르기 시작하는 전압을 항복전압(zener voltage)라 한다.