순방향 바이어스와 역방향 바이어스의 차이: 공핍층·장벽·전류·용량·용도 비교

PN 접합 다이오드는 전압을 거는 방향에 따라 성질이 크게 달라집니다. 순방향 바이어스는 p측에 양, n측에 음의 전압을 거는 것입니다. 접합의 전위 장벽이 낮아지고 다수 캐리어가 접합을 넘어 상대편으로 주입되므로, 전류는 전압에 따라 지수 함수적으로 늘어납니다. 역방향 바이어스는 p측에 음, n측에 양의 전압을 거는 것입니다. 장벽이 높아지고 공핍층이 넓어져, 아주 작은 역방향 전류만 흐릅니다. 순방향은 정류와 LED의 발광에, 역방향은 빛의 검출, 전압으로 바뀌는 용량, 항복을 이용한 정전압 등에 쓰입니다.

비교 항목순방향 바이어스역방향 바이어스
전압을 거는 방법p측(애노드)에 양, n측(캐소드)에 음p측(애노드)에 음, n측(캐소드)에 양
공핍층의 폭좁아진다. 폭은 √(Vbi − V)에 비례한다(Vbi는 내장 전위)넓어진다. 폭은 √(Vbi + VR)에 비례하며, VR이 내장 전위보다 충분히 크면 전압을 4배로 하면 약 2배가 된다
전위 장벽의 높이q(Vbi − V)로 낮아진다q(Vbi + VR)로 높아진다
전류와 캐리어의 움직임다수 캐리어가 장벽을 넘어 상대편으로 주입되고, 소수 캐리어로서 확산한다(확산 전류)공핍층이나 그 근처에서 열적으로 생긴 소수 캐리어가 전계에 의해 흘러가는 것뿐인 아주 작은 전류
전류와 전압의 관계I ≈ Is·exp(qV/nkT). 이상 계수 n = 1이면 실온에서 약 60 mV마다 전류가 10배가 된다. 실리콘에서는 일반적으로 0.6~0.7 V 정도부터 큰 전류가 흐른다전압과 관계없이 거의 일정한 작은 전류(이상적으로는 −Is. 실제로는 공핍층에서의 생성 전류가 더해진다). 온도가 오르면 크게 늘어난다
지배적인 용량확산 용량. 주입된 소수 캐리어의 축적에 의한 용량으로, 전류에 거의 비례해 커진다(Cd ≈ τI/(nkT/q))접합 용량(공핍층 용량). C = εA/W이며, 역바이어스를 크게 할수록 작아진다
수치 예(p측 1×10¹⁹ cm⁻³, n측 1×10¹⁶ cm⁻³의 계단 접합, 실온, 공핍 근사에 의한 기준값)내장 전위는 약 0.89 V. 공핍층의 폭은 0 V에서 약 0.34 µm, 0.5 V의 순방향 바이어스에서 약 0.23 µm공핍층의 폭은 역바이어스 5 V에서 약 0.87 µm, 20 V에서 약 1.6 µm. 5 V에서의 접합 용량은 0 V의 약 0.39배
항복일어나지 않는다. 대전류에서는 직렬 저항과 발열이 전류를 제한한다어떤 전압을 넘으면 애벌란시 항복이나 제너 항복으로 전류가 급격히 늘어난다
주요 용도정류 회로에서 도통하는 방향, LED와 레이저 다이오드의 발광, 바이폴라 트랜지스터의 베이스-이미터 접합, 온도 센서포토다이오드, 가변 용량 다이오드(바랙터), 제너 다이오드(항복시켜 사용), 애벌란시 포토다이오드, 접합에 의한 소자 분리

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

순방향 바이어스
전류를 흘리고 싶을 때의 사용법입니다. 정류 회로에서 다이오드가 도통하는 반주기, LED를 켤 때, 바이폴라 트랜지스터의 베이스-이미터 접합이 이 상태입니다. 순방향 전압은 온도가 오르면 일반적으로 약 2 mV/°C 낮아지므로 온도 센서에도 쓰입니다. 고속으로 스위칭할 때는 축적된 소수 캐리어에 의한 확산 용량과 역회복 시간에 주의합니다.
역방향 바이어스
전류를 막고 싶을 때, 또는 공핍층 자체를 이용하고 싶을 때의 사용법입니다. 포토다이오드는 공핍층에서 빛이 만든 캐리어를 전계로 모으고, 가변 용량 다이오드는 전압으로 공핍층의 폭을 바꿔 용량을 바꿉니다. 제너 다이오드는 항복 전압 부근에서 사용해 일정한 전압을 얻습니다. 집적 회로에서는 웰이나 확산층의 접합을 역바이어스로 유지해 소자끼리를 전기적으로 분리합니다.

자주 묻는 질문

역방향 바이어스에서도 전류가 조금 흐르는 이유는 무엇인가요?

공핍층이나 그 근처에서 열적으로 생긴 전자와 정공이 공핍층의 전계에 의해 반대편으로 흘러가기 때문입니다. 이 전류는 열적으로 생기는 소수 캐리어의 양으로 정해지므로, 전압을 올려도 거의 늘지 않고 온도가 오르면 크게 늘어납니다. 실리콘에서는 아주 작은 값이지만, 포토다이오드에서는 암전류로서, DRAM에서는 데이터를 유지할 수 있는 시간을 정하는 누설로서 문제가 됩니다.

순방향 바이어스에서 공핍층은 완전히 사라지나요?

사라지지 않습니다. 공핍층의 폭은 √(Vbi − V)에 비례해 좁아지지만, 전압이 내장 전위에 가까워지기 전에 전류가 커지고 직렬 저항에서의 전압 강하가 늘어나므로, 접합 자체에 걸리는 전압은 내장 전위보다 작은 상태로 남습니다. 예를 들어 n측 1×10¹⁶ cm⁻³의 단측 계단 접합에서는 0 V에서 약 0.34 µm이던 폭이 0.5 V의 순방향 바이어스에서 약 0.23 µm가 됩니다(공핍 근사에 의한 기준값).

순방향과 역방향에서 용량의 종류가 다른 이유는 무엇인가요?

용량의 원인이 되는 전하가 다르기 때문입니다. 역방향에서는 공핍층 양쪽에 있는 이온화된 불순물의 전하가 전압에 따라 늘고 줄어, 평행판 커패시터처럼 동작하는 접합 용량이 주가 됩니다. 순방향에서는 접합을 넘어 주입되어 중성 영역에 쌓이는 소수 캐리어의 전하가 전류와 함께 늘어나, 확산 용량이 주가 됩니다. 확산 용량은 대전류에서 커지며, 다이오드나 바이폴라 트랜지스터를 고속으로 스위칭할 때 지연의 원인이 됩니다.

포토다이오드는 왜 역방향 바이어스로 사용하나요?

역바이어스로 공핍층이 넓어지면 빛으로 생긴 전자와 정공을 모을 수 있는 범위가 넓어지고, 이들이 강한 전계로 빠르게 분리되어 전류가 되기 때문입니다. 접합 용량도 작아지므로 응답도 빨라집니다. 이에 비해 태양 전지는 바이어스를 걸지 않고 빛으로 생긴 전력을 꺼내며, LED는 순방향 바이어스로 주입한 캐리어가 재결합할 때 빛을 냅니다.

이해도 확인

PN 접합 다이오드에 순방향 바이어스를 가할 때의 전압 인가 방법으로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. Ap측을 양(+), n측을 음(−)으로 한다
  2. Bp측을 음(−), n측을 양(+)으로 한다
  3. Cp측과 n측을 같은 전위로 한다
정답과 해설 보기

정답: A. p측을 양(+), n측을 음(−)으로 한다

p측(애노드)을 양, n측(캐소드)을 음으로 하면 외부 전압이 내장 전위를 상쇄하는 방향으로 작용하여 전위 장벽이 낮아지고, 다수 캐리어가 접합을 넘어 상대 측으로 주입됩니다. 이것이 순방향 바이어스이며, 전류는 전압에 대해 지수 함수적으로 증가합니다. 반대로 연결하면 장벽이 높아져 열로 생성된 소수 캐리어에 의한 매우 작은 전류만 흐릅니다. 같은 전위에서는 확산과 드리프트가 균형을 이루어 전류는 0입니다.

PN 접합에 가하는 역방향 바이어스 전압을 크게 하면 공핍층의 폭은 어떻게 됩니까?

  1. A좁아진다
  2. B변하지 않는다
  3. C넓어진다
정답과 해설 보기

정답: C. 넓어진다

역방향 바이어스에서는 외부 전압이 내장 전위와 같은 방향으로 가해져 캐리어가 접합에서 더욱 멀리 끌려가므로 공핍층이 넓어집니다. 폭은 대략 √(Vbi + V)에 비례하며, V가 내장 전위보다 충분히 크면 예를 들어 전압을 4배로 하면 약 2배가 됩니다. 공핍층이 넓어지면 접합 용량(C = εA/W)은 작아지고, 이 성질이 가변 용량 다이오드에 사용됩니다. 전계를 담당하는 폭이 넓어지는 것은 내압 확보로도 이어집니다.

가변 용량 다이오드(바랙터 다이오드)가 이용하는 성질은 무엇입니까?

  1. A순방향 전류로 발광하는 성질
  2. B온도에 따라 저항이 변하는 성질
  3. C역방향 바이어스 전압에 따라 접합 용량이 변하는 성질
정답과 해설 보기

정답: C. 역방향 바이어스 전압에 따라 접합 용량이 변하는 성질

역방향 바이어스를 강하게 하면 공핍층이 넓어져 접합 용량이 작아집니다. 이 성질을 이용하여 전압으로 용량을 바꿀 수 있게 한 것이 가변 용량 다이오드(바랙터)입니다. 급준한 불순물 분포로 한 초계단 접합에서는 용량이 전압에 따라 크게 변하여 가변 범위가 넓어집니다. 공진 주파수 f = 1/(2π√(LC))를 전압으로 조정할 수 있으므로, 튜너나 전압 제어 발진기(VCO), PLL에 사용됩니다.

  1. 포토다이오드를 빛 검출에 사용할 때의 일반적인 사용 방법으로 올바른 것은 무엇입니까?
  2. 순방향 바이어스의 PN 접합에서 주입된 소수 캐리어의 축적으로 생기는 용량은 무엇입니까?
  3. LED가 빛나는 원리로 올바른 것은 무엇입니까?

PN 접합과 다이오드 문제 풀기

주요 용어 설명

순방향 바이어스
p측에 양(+), n측에 음(-)의 전압을 가하는 것. 장벽이 낮아져 전류가 잘 흐른다. 반대로 가하면 역방향 바이어스이며 전류는 거의 흐르지 않는다.
공핍층(Depletion Layer)
PN 접합 경계 부근에 생기는, 캐리어가 거의 존재하지 않는 영역. 역바이어스에서 넓어진다.
내장 전위(Built-in Potential)
PN 접합의 공핍층에 외부 전압 없이도 생기는 전위차. 실리콘에서는 0.6~0.9 V 정도이며, 캐리어 확산을 멈추는 장벽이 된다.
접합 용량(공핍층 용량)
PN 접합의 공핍층이 평행판 커패시터처럼 작용하여 생기는 용량. 역바이어스를 크게 하면 공핍층이 넓어져 작아진다. 가변 용량 다이오드는 이 성질을 이용한다.
확산 용량(diffusion capacitance)
순방향 바이어스의 PN 접합에서 주입된 소수 캐리어가 중성 영역에 축적되어 생기는 용량. 순방향 전류에 비례해 커지며 고속 동작을 제한한다.
제너 다이오드
역방향 항복 전압이 거의 일정해지는 특성을 이용해 정전압을 얻는 다이오드.
포토다이오드(Photodiode)
빛을 받아 전하(전류)를 발생시키는 다이오드. 이미지 센서 화소의 수광 소자로 사용된다.
애벌란시 항복(avalanche breakdown)
역방향 강한 전계로 가속된 캐리어가 원자와 충돌해 새 캐리어를 만들고, 이것이 연쇄적으로 늘어 큰 전류가 흐르는 현상.

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