다이오드(diode), 순방향 바이어스란?

평형 상태에서는 pn 접합을 통해 움직이는 전자가 없다. 즉, 전자의 흐름이 전류이기 때문에 pn 접합을 통해 흐르는 전류는 없다. 전자공학에서 바이어스라는 것은 전자 소자로 하여금 임의의 동작 조건을 설정하기 위해 사용하는 직류 전압을 의미한다. pn 접합에 가하는 두 가지 바이어스 조건이 있다. 하나는 순방향 바이어스, 하나는 역방향 바이어스이다. 

▶ 순방향 바이어스

다이오드에 바이어스(bias)를 가한다는 것은 pn 접합 양단에 외부 직류 전압을 인가함을 의미한다. 순방향 바이어스(forward bias)란 pn 접합을 통해 전류가 흐르는 조건을 말하며, 순방향 바이어스를 만들기 위해 다이오드 양단에 직류 전원을 도체물질로 연결한다. 외부 바이어스 전압은 VBIAS로 표기한다. 저항 R은 다이오드를 파괴하지 않도록 전류를 제한하는 역할을 한다.

VBIAS의 (-)쪽은 다이오드의 n영역에, (+)쪽은 p영역에 연결해야 하며, 이것이 순방향 바이어스를 위한 첫번째 필요조건이다. 두번째 필요조건은 바이어스 전압 VBIAS가 장벽 전위보다 커야한다. 서로 같은 전하는 밀치기 때문에 바이어스 전압의 (-)단자는 n영역의 다수 반송자인 자유전자를 pn 접합 쪽으로 밀어낸다. 이 자유전자의 흐름을 전자 전류(electron current)라고 한다. 또한 전원의 (-)단자는 전원과 n영역과의 외부 연결(도체)을 통해 계속 n영역 쪽으로 전자를 공급한다. 

바이어스 전압원은 자유전자에게 충분한 에너지를 공급하여 자유전자가 공핍층 내의 장벽 전위를 기어오르게 한 후 p형 영역 내로 움직이게 만든다. 일단 p영역으로 자유전자가 이동하면 이들 전도대의 전자는 즉시 에너지를 잃고 가전자대의 정공과 결합한다. 전잗ㄹ은 p영역의 가전자대에 있는데 단순히 그 이유는 이들 전자가 너무 많은 에너지를 잃어 장벽 전위를 기어오를 수 없어 전도대에 머물 수 없기 때문이다. 반대 극성의 전하는 서로 잡아당기기 때문에 바이어스 전압원의 (+)단자는 p영역의 왼쪽으로 가전자를 잡아당긴다. 이렇게 형성된 p영역의 정공은 p영역의 가전자들에게 p영역 내를 움직일 수 있는 통로를 제공한다. 따라서 전자는 왼쪽을 향하여 이 정공에서 저 정공으로 움직인다. p영역의 다수 반송자인 정공은 결과적으로 접합을 향하여 오른쪽으로 움직이는 셈이다. (실제는 아님) 이와 같이 결과적인 정공의 흐름을 정공 전류(hole current)라고 한다. 정공 전류는 p영역을 통해 흐르는 가전자의 흐름으로 간주할 수 있으며, 정공은 이들 가전자가 흐를 수 있는 유일한 수단이 된다. 

전자가 외부 연결도체를 통하여 p영역을 벗어나 바이어스 전압원의 (+)단자로 흐르게 되면 p영역에 정공을 남긴다. 이와 동시에 p영역을 벗어난 이들 전자는 금속도체내의 전도 전자가 된다. 따라서 도체 내의 전자가 자유전자가 되는데 필요한 에너지는 반도체 내에서 전자가 자유전자가 되는데 필요한 에너지와 비교했을 때 거의 에너지 소모가 없다.

마치 정공이 접합을 향해 움직인다고 생각하면 접합을 가로질러 n영역에서 p영역으로 오는 일련의 전자들과 정공이 결합한다고 볼 수 있고 정공의 계속적인 유용성이 바로 이점이다.

▶ 공핍 영역에 대한 순방향 바이어스 영향

많은 전자들이 공핍 영역으로 흐르면 양이온의 수가 감소된다. 마찬가로 pn 접합 반대편에 있는 정공이 마치 공핍 영역으로 흐른다고 가정하면 음이온의 수도 감소된다. 순방향 바이어스를 가하면 양이온과 음이온이 감소하며 공핍영역이 좁아지게 된다. 

▶ 순방향 바이어스를 가한 경우의 장벽 전위의 영향

접합의 양쪽 공핍 영역 내에 있는 양이온과 음이온 사이에 발생한 전계는 '에너지 언덕'을 형성하며, 이 에너지 언덕은 평형 상태에서 자유전자가 접합을 가로질러 확산되는 것을 방지한다. 이것을 장벽 전위라고 한다.

순방향 바이어스가 가해진 경우 자유전자들이 장벽 전위를 넘을 수 있을 만큼 충분한 바이어스 전압을 공급하면 자유전자는 에너지 언덕을 기어올라 공핍층을 넘어간다. 전자가 공핍 영역을 통과하기 우해 필요한 에너지는 장벽 전위와 똑같다. 

다시 말하면 전자가 공핍 영역을 통과할 때 장벽 전위와 같은 크기의 에너지를 잃는다. 이 에너지가 손실된다는 것은 장벽 전위(실리콘의 경우 0.7V, 게르마늄의 경우 0.3V)와 크기가 같은 전압이 pn접합에 걸리는 것을 의미한다. p영역과 n영역에서 발생하는 아주 작은 전압 강하는 물질의 내부 저항 때문에 생긴다. 도핑된 반도체 물질의 경우 이 저항을 동저항(dynamic resistance)이라고 하는데, 이 값은 매우 작고 보통 무시 가능하다.

그럼 이만 ~~~

----- 참고 자료 -----

원자의 구조, 전자의 궤도(orbit), 전자각, 가전자 및 이온 이란 무엇인가?

도체, 반도체, 절연체의 특성 비교

n형 반도체와 p형 반도체란?

다이오드(diode), pn접합이란?