[전자 하드웨어 기초] 24. 다이오드 -1- (다이오드란 무엇인가, PN접합)

안녕하십니까 리습입니다.

 다이오드는  반도체 소자 중 가장 간단한 구조를 가지고 있지만, 매우 빈번하게 사용되고 있는 소자입니다. 가장 많이 곳 중 하나는 핸드폰 충전기로, 교류 신호를 직류 신호로 바꾸어 주는 정류회로에 많이 사용됩니다. 또한 흔히 LED라고 부르는 소자 또한 다이오드의 종류 중 하나로 매우 많은 곳에서 흔히 사용하고 있습니다.

 그럼 다이오드의 동작 방식부터 원리, 나아가 활용 방법 까지 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

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1. PN접합

 p-형 반도체와 N-형 반도체는 서로 반대의 형태를 가지고 있습니다. P형 반도체는 홀(hole)을 주요 캐리어로 사용하는 반도체이고, N-형 반도체는 electron(전자)를 주요 캐리어로 사용하는 반도체입니다. 이 반대 형태의 반도체를 이어 붙여서 만든 것이 바로 PN 접합입니다.

PN접합 반도체

 P-형 반도체와 N-형 반도체가 맞닿은 접합 부분에는 공핍층이라고 하는 (depletion layer) 공간이 생기게 됩니다. N-형 반도체에 있는 자유전자가 P-형 반도체에 있는 정공에 들어가 공간을 채우게 됨으로써, 안정적인 공간이 발생하기 때문에 그러한 공간이 생기는 것이죠. 그 공간이 많이 생기는 만큼 자유전자도, 정공도 없는, 전류가 잘 흐르지 않는 공간이 늘어나는 것이기 때문에, 우리는 이 공간의 크기를 조절함으로서 반도체 소자의 '특성'이라는 것을 부여할 수 있게 됩니다. 그리고 공핍층의 폭은 어떤 불순물을 얼마만큼의 농도로 사용하느냐에 따라 달라지게 됩니다.

 그런데, 이렇게 두 반도체를 붙이면, 전류가 흐르지 않게 된다라고만 말씀을 드리고 마무리를 하면, 반도체 소자라고 부르기 민망하겠죠. 이 PN 접합에는 특이한 성질이 있습니다. 바로 전압 인가 방향에 따라 이 공핍층의 크기가 조절된다는 것입니다.

2. 순 방향 바이어스 (Forward Bias)

 아래와 같이 P-형 반도체 부분에 +전압을, N-형 반도체 부분에 -전압을 걸어주는 것을, 순방향 바이어스(Forward Bias) 전압이라고 하며, 보통 순방향 바이어스를 가한다라고 부릅니다. 순방향 바이어스 전압을 가해줄 경우, 정공과 전자는 서로의 방향으로 이동을 하게 되고, 이 이동으로 인해 공핍층은 얇아지게 됩니다. 전류의 흐름을 방해하는 공핍층이 얇아지게 되니, 전류는 기존보다 더 쉽게 흐를 수 있게 되죠.

 즉 PN 접합에 순 방향 바이어스를 가할 경우, 전류가 잘 흐르게 된다 라는 것을 알 수 있습니다.

PN접합과 순방향 바이어스

3. 역 방향 바이어스 (Reverse Bias)

 아래와 같이 P-형 반도체 부분에 -전압을, N-형 반도체 부분에 +전압을 걸어주는 것을, 역방향 바이어스(Reverse Bias) 전압이라고 하며, 역방향 바이어스를 가한다라고 부릅니다. 역방향 바이어스 전압을 가해줄 경우, 정공과 전자는 서로의 반대 방향으로 이동을 하게 되고, 이 이동으로 인해 공핍층은 두꺼워지게 됩니다. 전류의 흐름을 방해하는 공핍층이 두꺼워지니, 전류는 기존보다 더 흐르기 어려워집니다.

PN접합과 역방향 바이어스

4. 다이오드는 PN 접합의 동작 특성을 이용하는 반도체 소자.

 이렇게 가해주는 전압의 방향에 따라, 전류를 흐르게도, 흐르지 않게도 하는 PN접합 특성을 통해 만들어진 소자가 바로 다이오드입니다. 즉 다이오 드은 전압의 방향에 따라, 전류를 흐르거나/흐르지 않는 반도체 소자인 것 이죠. 이런 반도체 소자를 통해 불 연속적인 전압의 변화를 표현할 수 있게 되고, 다채로운 회로를 설계할 수 있게 되는 것입니다.

 이 외에도 PN 접합의 기억해주셔야 하는 특성 중 하나는 공핍층에 에너지 갭(Energe Gap)이 있다는 것입니다. 우리가 일반적으로 사용하는 실리콘은 0.7V, 게르마늄의 경우 0.3V의 에너지 갭이 존재합니다. 따라서 순방향 바이어스 외에도 우리는 에너지 갭 보다 큰 전압을 걸어주어야지만 전류를 흐를 수 있다는 것도 꼭 기억해주시기 바랍니다.

5. 마무리

Diode의 심볼

 이렇게 다이오드의 기본적인 원리 및 특징에 대하여 알아보았습니다. 다이오드는 전압의 방향에 따라 전류가 흐르거나/흐르지 않는 소자로 전류의 방향을 제어할 수 있다는 것도 알 수 있었습니다. 또한 에너지 갭이라는 것이 존재하여 0.7V(개르먀늄 0.3V) 이상의 순방향 바이어스 전압을 걸어주어야지만 전류를 흐를 수 있다는 것도 알 수 있었습니다.

그럼 이제 다이오드의 심벌부터 시작하여, 사용방법들을 알아보도록 하겠습니다.