다이오드(diode), 역방향 바이어스란?

▶ 역방향 바이어스

역방향 바이어스(Reverse bias)는 다이오드를 통해 전류가 흐르지 못하게 하는 조건을 말한다. 

이 외부 바이어스 전압을 순방향 바이어스의 경우와 마차나지로 VBIAS로 표시하였고, VBIAS의 (+)단자는 다이오드의 n쪽에 (-)단자는 p쪽에 연결하였기 때문에 공핍층은 순방향 바이어스를 가한 경우나 평형 상태인 경우보다 더 넓어졌음을 알 수 있다. 극성이 반대인 전하는 서로 잡아당긴다. 따라서 바이어스 전압원의 (+)단자는 n영역의 다수 반송자인 자유전자를 잡아당겨 pn 접합에서 멀어지게 만든다. n영역의 저자가 전압원 (+)단자로 흐르면 n영역에 양이온이 추가로 형성된다. 따라서 n영역의 공핍층이 넓어짐과 동시에 다수 반송자의 공핍이 초래된다.

전자는 가전자의 신분으로 전압원의 (-)단자로부터 p영역으로 들어가 공핍층을 향하여 이 정공 저 정공 옮겨 다니며 p영역에 추가적인 음이온을 형성시킨다. 따라서 n영역의 공핍층이 넓어짐과 동시에 다수 반송자의 공핍이 초래된다.

전자는 가전자의 신분으로 전압원의 (-)단자로부터 p영역으로 들어가 공핍층을 향하여 이 정공 저 정공 옯겨 다니며 p영역에 추가적인 음이온을 형성시킨다. 따라서 p영역의 공핍층이 넓어짐과 동시에 다수 반송자의 공핍이 초래된다.

역방향 바이어스 전압이 가해지면 전하 반송자의 초기 흐름은 과도기적으로 아주 짧은 시간 동안만 지속된다. 공핍층이 넓어질수록 다수 반송자의 이용도는 감소한다. n영역과 p영역에서 다수 반송자의 공핍이 심해질수록 공핍층의 양이온과 음이온 사이에 발생하는 전계의 세기는 점점 증가한다. 그 후 공핍층에 걸리는 전위의 크기가 바이어스 전압(VBIAS)의 크기와 같아질 때 전계의 세기는 더 이상 증가하지 않으며 무시 할 수 있을 정도의 아주 작은 역전류를 제외하고는 실제로 과도전류(transition current)는 흐르지 않는다. 

▶ 역전류

역방향 바이어스를 가했을 때 과도전류가 사라지고 난 후에도 아주 작은 전류가 흐르는데, 이 전류는 n영역과 p영역에서 열적 생성된 전자, 정공쌍에 의해 만들어지는 소수 반송에 의한 것이다. p영역의 소수 반송자인 소수의 자유전자가 바이어스 전압의 (-)단자에 의해 pn접합 쪽으로 밀린다. 이들 저낮가 넓은 공핍 영역에 도달할 때 '에너지 언덕에서 미끄러짐'이 발생한다. 미끄러진 이들 전자는 가전자가 되어 n영역의 소수 반송자인 정공과 결합하면서 바이어스 전압의 (+)단자를 향하여 전진한다. 이렇게 하여 작은 정공 전규가 흐르게 되는 것이다.

p영역의 전도대는 n영역의 전도대보다 훨씬 높은 에너지 준위를 가진다. 따라서 소수 반송자인 전자들이 쉽게 공핍 영역을 통해 지나가면 별도의 에너지를 필요로 하지 않는다. 

▶ 역항복

통상 역전류는 너무 적기 때문에 무시할 수 있다. 그러나 만일 외부 역방향 바이어스 전압이 항복 전압이라고 하는 값까지 증가되면 역전류는 급격히 증가된다. 높은 역전압은 소수 반송자인 자유전자에게 에너지를 공급하여 p영역에서 전자를 가속시킨다. 충분한 에너지를 가진 가속된 전자가 원자와 충돌하게 되고 이때 원자 내의 가전자는 에너지를 받아 궤도 밖으로 탈출하여 전도대로 올라간다. 이와 같이 새롭게 형성된 전도대의 전자도 마찬가지로 높은 에너지를 가진 상태이므로 위의 과정을 되풀이한다. 만약 이 중 한 개의 전자가 p영역을 돌아다니면서 두 개의 가전자를 때려 이 두 개의 가전자를 궤도 밖으로 이끌어낸다면 전자의 수는 급속하게 두 배로 증가한다. 이들 높은 에너지를 가진 전자가 공핍층을 통과하면 충분한 에너지를 얻게 되어 이들 전자는 n영역에서 정공과 재결합하기보다는 전도 전자로서 움직이게 된다.

이와 같은 전도 전자의 증가를 애벌란시(avalanche)라고 하며, 이 현상이 발생하면 매우 큰 전류가 흐르게 되고 이로 인해 심한 열을 발생하므로 다이오드를 손상시킬 수 있다. 

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?

다이오드(diode), 순방향 바이어스란?