Diode란? (1) depletion region, drift & diffusion current, forward & reward bias

오늘은 다이오드에 대해 간단히 다뤄보겠습니다. 회로 설계 시에 대부분 Mosfet만 사용해서 schematic 을 꾸미고 simulation을 하지만, 실제 chip을 나가기 위해서는 diode와 pn junction 등 소자적 특성과 물리적 특성에 대한 이해도 필수입니다.

 먼저 다이오드는 왼쪽과 같이 n형 반도체와 p형 반도체가 이어진 형태입니다. 각각이 어떤 형태여도 상관 없습니다. p 부분이 substrate일 수도 있고 n 부분이 N+일 수도 있습니다. 또한 p 부분이 P+고 n 부분이 N-well일 수도 있습니다. Hole이 더 많은 p형 type과 Electron이 더 많은 n형 type이 맞닿은 부분에는 pn junction이 필연적으로 생성되게 됩니다. 이런 다이오드는 오른쪽과 같이 Cathode 와 Anode로 이루어져 있죠. Vanode > Vcathode 면 다이오드를 통해 전류가 흐르게 됩니다. (실제 다이오드에는 약간의 Threshold voltage 가 더 존재합니다.)

p 형 반도체 쪽엔 Hole 이 majority carrier고 n 형 반도체 쪽에선 Electron 이 majority carrier입니다.

각각의 majority carrier가 서로 다른 극성을 띄기 때문에 p-n junction에서는 필연적으로 depletion region이 발생하게 됩니다. n형 반도체에 있는 electron은 경계면에서 멀어지려고 하고 p형 반도체에 있는 Hole도 마찬가지로 경계면에서 멀어지려 합니다. 따라서 얼마나 doping 되었느냐에 따라서 depletion region이 형성되게 되죠. 이런 depletion region에서는 전기장이 n형 쪽에서 p형 쪽으로 생기게 됩니다. (전기장은 electron이 힘을 받는 방향입니다) (이 때 자유전자와, 자유 Hole, 그리고 양이온과 음이온에 대해 잘 구분해야 합니다.)

이 때 각각의 carrier인 Hole과 Electron은 Drift와 Diffusion 2개의 원리로 움직입니다. 여기서 Drift는 우리가 일반적으로 생각한 전위차에 의한 힘입니다. Voltage difference에 따른 current를 Drift current라고 생각하면 편하죠. 좀 더 면밀히 말하면 전기장에 의한 움직임을 Drift라 합니다. 반대로 Diffusion 은 더 밀집해 있는 곳에서 덜 밀집해 있는 곳으로 가는 움직임이죠. 

 

Diode가 forward bias 일 때는 n 형 반도체에 음전압이, p형 반도체에 양전압이 꽂혔을 때를 의미합니다. 이 때는 전위차에 의해 electron 과 hole이 경계면으로 더 붙게 되고 이로 인해 depletion region이 더 작아지게 됩니다. 더 좁아진 depletion region은 두 경계 사이에 potential barrier가 더 작아졌다는 의미이므로 결국 전류가 흐를 수 있게 됩니다.

좀 더 명확히 설명을 드리면 Forward bias 상황에서는 각 n type 과 p type 에 minority carrier 갯수가 늘어나게 됩니다. N형 반도체에서는 Hole 의 갯수가, P형 반도체에서는 Electron의 갯수가 늘어나는거죠. 결국 이러한 결과는 오른쪽과 같은 그래프를 나타내는데, 이 그래프에서 보면 기존보다 더 많은 Hole 이 n type 쪽에, 더 많은 Electron 이 p type 쪽에 생기게 되어 diffusion current가 증가하게 되는거죠.

 

반면에 Reverse bias의 경우 diode 의 양 극에 다른 전압이 끼워지게 됩니다. n type 에는 양전압이, p type에는 음전압이 말이죠. 이러한 상황에서는 경계면의 depletion region 이 더욱더 넓어지게 됩니다. 따라서 양쪽 potential barrier 가 더 높아지게 되어 거의 전류가 흐를 수 없는 상태가 되죠. 그리고 예상과는 살짝 다르긴 하지만, reverse bias 에서는 junction cap 이 더 줄어들게 됩니다. C=eA/d 공식에서 depletion region 이 더 넓어짐에 따라 cap의 두 판이 멀어진 꼴이 되기 때문이죠. 결국 거리 d가 더 커져 C 값이 작아지게 됩니다.

 

이상입니다.