#9 쉽게 배우는 PN 접합 (2)

이번 포스팅에는 PN 다이오드 외부에 전압을 가해주었을 때 어떻게 되는지 알아보겠습니다. 

 

 

PN다이오드에 외부전압 Va를 가했을 때

 

PN다이오드에 P부분에 +전압을 가해준 상황입니다. 이렇게 P에 양의 전압을 가해준 상황을 foward bias상황이라고 합니다. 반도체의 전극은 실리콘과 ohmic contact으로 무시할 수 있는 작은 저항으로 연결됩니다. ohmic contact은 추후 반도체 공학 포스팅에서 자세하게 설명드리겠습니다. 저번 시간 전하의 그래프를 보면 공핍층을 제외한 부분에는 free carrier만 존재하고 전하량은 거의 없다고 볼 수 있습니다. 반면에 공핍층에는 홀과 전자가 만나 free carrier가 없어지게 되고 N에서 P방향으로 built-in potential이 걸리게 된다고 했습니다.

 

그렇다면 외부 전압 Va는 P에서 N 방향이므로 결국 반도체 내부에 걸리는 전압은 기존에 Vbi에서 Vbi-Va로 감소하게 됩니다. 이것이 의미하는 것은 공핍층 두께의 감소를 뜻하기도 합니다. 이게 무슨말이냐면, 기존에 공핍층에 있던 전하들로 인해 전압이 결정이 되었는데 전압이 줄어든다는 것은 전하들의 양이 외부 전압으로 인해 줄어든다는 얘기가 됩니다. 결국 전하들의 양이 줄면서 공핍층의 두께도 줄어들게 되는 것이죠. 결국 전하들에 의한 전기장도 줄어들게 됩니다.

 

열평형 상태에서 pn접합 에너지다이어그램

 

저번 포스팅에서 봤던 pn접합의 에너지 다이어그램입니다. 외부 전압이 없으므로 열평형 상태이고, 따라서 페르미 레벨도 한 줄로 쭉 이어져있죠. 

 

 

반면에 foward bias를 걸어주었을 때는 Vbi-Va가 공핍층에 걸리면서 공핍층 자체도 좁아졌고, 다이어그램 상에서 전위차가 줄어들어 낮아진 모습도 확인할 수 있습니다. 그리고 열평형 상태가 깨지면서 준페르미 준위가 형성되는 것도 알 수 있습니다.

 

반대의 경우로 N부분에 +전압을 걸어 주는 reverse bias는 지금까지의 현상이 반대로 일어나게 됩니다. Vbi가 걸리던 공핍층에는 Vbi+Va가 걸리면서 공핍층이 늘어나게 되고, 전기장도 커지게 됩니다. 아래의 그림과 같이 되죠.

 

여기서 중요한 점은 두 준페르미 레벨의 차이가 외부전압의 크기와 같다는 것입니다! Efp - Efn = -qVa라고 볼 수 있는데, 직관적으로 보면 외부 전압이 없을 때 한줄로 이어지던 페르미 준위가 외부 전압에 의해 에너지 밴드 다이어그램이 크게 변동하게 되고 더 이상 한 줄의 페르미 레벨로 두 영역의 캐리어를 표시할 수 없게 될 때 벌어지게 되는데, 그 벌어지는 양이 결국 외부 전압의 크기와 같다고 생각할 수 있습니다. 

 

다음 포스팅에서는 pn다이오드의 전류, 전압특성에 대해서 알아보겠습니다!