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(2) 다이오드

1) 정의

단층의 PN 접합을 가진 소자를 말한다. 정류 작용 또는 검파 작용을 한다. 다이오드는 반도체 소자로써 전류를 한쪽 방향으로만 흘리고자 할때 사용하는 소자이다.

2) PN접합

다이오드의 기본은 PN접합이므로 이것을 밴드도에서 살펴보기로 한다.
P형 반도체와 N형 반도체의 밴드도를 그림1에 나타낸다 이들을 접합하면 접합면에서 페르미준위가 일치되도록 전자와 정공이 이동한다. 그러나 접합면에서 떨어진 위치에서는 이 접합에 의한 전하이동의 영향이 없으므로 본래의 P형이나 N형의 밴드도에 변화는 없다.
따라서 밴드는 그림 와 같이 접합면에 가깝다는 것만으로 밴드가 구부러진다. 접합의 평형상태에서는 각 층에 있던 전자 또는 정공이 흘러버린다. 자유전자 등이 없는 '공핍층'이라 불리는 층이 생기는데 이것은 즉, 전하가 없는 영역에 N형, P형 도전체가 끼워진 것과 같은 콘덴서가 형성되어 있다고 상정할 수 있다.

3) PN 접합 다이모드

밴드 도에서 다이오드의 동작을 살펴본다.

① 순방향에 전압을 인가 했을 때

먼저 PN접합이 형성되어 있는 상태에서 그림1 (b)와 같이 전류가 흐르는 방향, 즉 순방향으로 전압을 인가한다. 이것을 순방향 바이어스라 한다. 캐소드 측에 부(-)의 전압이 걸리므로 이 부전위에서 전자의 준위는 올라간다. 마치 물통을 전압으로 들어올린 것과 비슷하다. 이렇게 되면 N형에 있는 자유전자의 에너지 레벨은 P형보다 커져 N형에서 P형으로 전자가 이동한다. 즉 P형에서 N형을 향해 전류가 흐르게 된다. 한편 정공을 보면 마찬가지로 N형에서 P형으로 이동한다.

② 역 방향으로 전압을 걸었을 때

그림 1(c)와 같이 부전압이 애노드 측에 걸린다. N형이 VR만큼 낮아진다는 것을 의미하고 있다. 이것을 역 방향 바이어스라 한다. 이 때, P형 전자 레벨이 N형보다 커지므로 P형에서 N형으로 전자가 이동한다. 그러나 P형에 있어서 전자는 소수 캐리어이므로 그 전류값은 매우 전압이 가해짐으로써 공핍층의 크기는 길어지고 있다.

4) PN 접합 다이오드의 정 특성

이상과 같은 것을 그림2에 나타난 접합 다이오드의 정 특성에서 살펴보기로 한다. 그림 2(a)의 N형으로 다수 캐리어인 정공이 이동하여 큰 순방향 전류가 흐른다. 그 때의 전류값ID는 다음과 같은 식으로 나타낸다.

여기서, Is : 포화전류[A], Q : 전자의 전하(1,602 × 10~19)(C), k: 볼츠만 상수(1.38 × 10-23), T : 절대온도 [KI 제 3상한은 역 방향에서 포화전류 Is가 흐르고 있다. 그림 13(b)는 정전용량의 전압 특성 특성이다. 순방향 측은 큰 전류가 흐르므로 콘덴서로 사용할 수 없다. 그러나 역 방향 측의 포화전류값은 작기 때문에 무시되므로 콘덴서로 사용할 수 있다. 그리고 역 방향전압의 크기에 따라 공핍층이 두꺼워지므로 용량값CT는 다음과 같은 식으로 나타난다.

여기서, ε : 재료의 유전율(10~12F/cml, q : 전자의 전하(1,602 x 10~19), NA : 엑셉터 밀도 [ ],ND : 도너 밀도 [ ], VD : 확산전위[V], VB : 바이어스 전압(V] 다이오드에서도 C의 값은 전압에 따라 변화한다.

5) 항복현상

PN 접합 다이오드에 인가되는 역 방향전압을 크게 하고어떤 전압 항복전압 을 초과하면 전류가 급격히 흐르게 된다. 이 경우의 밴드도를 그림3에 나타낸다.

① 제너 항복

먼저 역 방향전압이 커지면 밴드가 크게 구부러져 가전자대와 전도대 사이의 거리는 그림과 같이 외관상 작아진다 그렇게 되면 터널 효과에 의해 전자가 가전자대에서 전도대로 이동한다.
이렇게 되면 가전자대에 정공이 남으며 이들의 전하는 각각 전계에 따라 이동하고 전류가 흐른다 이렇게 해서 일어나는 항복현상을 '제너 항복'이라 한다.

② 전자사태(Avalanche Breakdown) 항복

항복 한편 좌측과 같이 P형의 소수 캐리어인 전압이 N형으로 이동할 때 밴드가 크게 구부러지므로 이동함에 따라 그 에너지는 매우 커지고 원자에 있는 전자에 에너지를 부여, 그것이 여기되어 자유전자로써 전류에 기여한다 그리고 그 전자가 다시 다른 원자의 전자를 여기하는 것을 반복하며 자유전자의 수는 폭발적으로 증가해 간다.
이 현상을 '전자사태'라 하고 그에 따른 항복현상을 '전자사태 항복' 이라 한다. 접합 다이오드인 경우 항복현상이 이하에서 일어나는 경우는 제너 항복이 주된 것이고 이상에서 일어나는 경우는 전자사태 항복이 주된 것이라 하며 이들은 항복전압의 온도계수가 전자사태 항복은 정 + 제너 항복은 부인 것처럼 반대의 관계로 되어 있다.

6) LED

발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)의 기본구조는 고농도로 도프한 직접 천이형 반도체를 사용한 접합 다이오드이다. 접합에 순방향전류를 흘리고 소수 캐리어를 주입하면 접합영역에서 전자와 정공이 재결합하여 발광한다.
그림4에 각종 발광 다이오드와 그 재료 및 발광 스펙트럼을 나타낸다. Si가 재료로 사용되지 않는 것은 Si가 간접천이 반도체에서 발광효율이 매우 작기 때문이다.

7) 쇼트키 접촉

금속과 반도체를 접촉시킨 구조를 쇼트키 접촉이라 하며 그러한 구조의 다이오드를 쇼트키 배리어 (Schottky Barrier) 다이오드라 한다.
금속과 N형 반도체를 접촉했을 경우 그림6(a)와 같이 공핍층이 발생한다. 역 방향으로 전압을 걸었을 경우에는 그림6(b)와 같이 공핍층이 확산된다.
순방향으로 전압을 인가했을 경우, N형에 대한 금속으로의 장벽은 작아지므로 N형 전자가 쉽게 점프하여 금속측으로 확산된다. 따라서 쇼트키 배리어 다이오드는 순방향전압이 작아진다. 또 동작 상 금속 측에서 소수 캐리어의 주입이 없기 때문에 소수 캐리어 축적효과가 없어 고속으로 동작한다.

8) 브리지 다이오드

교류 전압을 직류 전압으로 바꾸기 위해 정류용 다이오드를 사용한다. 하나의 다이오드에서는 반파 정류(플러스와 마이너스가 교대로 변화하는 전압의 플레스 측 또는 마이너스 측 중에서 어느 한족만 사용한다.)밖에 할 수 없지만, 다이오드를 4개 조합하면 전파 정류를 할 수 있다. 이렇게 다이오드를 4개 조합하여 한 패키지에 들어 있는 것을 브리지 다이오드라 한다.

아래 사진은 KBPC601의 사진이다.
전류는 6A이고 인가 전압의 최대치는 100V이다.
위의 모델 넘버 KBPC601의 뜻은 전류 6A, 전압 100V이다. KBPC606이면 전류는 6A, 인가 최대 전압은 600V이다.