<PN junction> 4. 순방향 전압(Forward Bias)과 역방향 전압(Reverse Bias)인가 특성

이번 포스팅에서 순방향전압(Forward Bias)과 역방향전압(Reverse Bias)를 인가하였을 때, 다이오드 내부의 물성에 대해 알아 볼 것이다.

사진 출처 : https://edimecinevery.tistory.com

먼저 zero bias 일 때, PN접합(PN Junction)다이오드의 에너지 밴드그림을 보자.

아무런 전압이 인가되지 않을 경우, P-type과 N-type의 Fermi Energy Level은 평행하다.

이때, diffuse 전류와 drift전류에 의한 Carrier 흐름의 상쇄 또는 에너지 장벽에 의한 carrier들의 이동제한 두 가지로 평형상태를 해석할 수 있다.

 

다음으로 다이오드에 전압을 가했을 때 정량적 변화와 정성적 변화에 대하여 알아보자.

해석에 앞서, 모든 인가 전압은 depletion region에 가해진다고 가정한다.

(실제론 neutral region에도 전압이 가해지지만 무시할 수 있을 정도로 작은 전압이 가해진다.)

 

정성적 해석

 

역방향 전압인가(Reverse Bias)

$V_A<0$전압이 가해지면 Energyband$=-qv$에 의해 Energyband가 커진다.

이때 증가한 Energyband 장벽은 $q(V_{bi}+V_R)$ 만큼 증가한다.

높아진 에너지 장벽에 의해 Carrier의 이동이 제한 된다 → 전류 흐름이 제한된다.

순방향 전압인가(Forward Bias)

$V_A>0$ 전압이 가해지면 Energyband$=-qv$에 의해 Energyband가 작아진다.

이때 감소한 Energyband 장벽은 $q(V_{bi}-V_F)$ 만큼 감소한다.

낮아진 에너지 장벽에 의해 Carrier의 이동이 쉬워진다 → 전류가 잘 흐른다.

 

 

정량적 해석

사진 출처 : Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

역방향 전압인가를 가하면 P-type영역에 $-$전압, N-type 영역에 $+$전압을 가하면 전압이 인가된 쪽으로 Carrier 들이 이동해 Depletion region의 w가 넓어진다.

반대로, 순방향 전압인가를 하면 Carrier 들이 전압이 인가된 쪽에서 멀어져 Depletion region의 w가 좁아진다.

이를 통해 Charge Density, Electric Field, Potential이 그래프와 같이 변화한다.

또한, Depletion Width와 Electrix field max E(x=0)도 이와 같이 변화한다.

 

 

 

 

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작성자: 손동휘 / 수정 및 검토: 김현수, 이현우