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 항목 | 순방향 바이어스 | 역방향 바이어스 |
|---|---|---|
| 전압을 거는 방법 | p측(애노드)에 양, n측(캐소드)에 음 | p측(애노드)에 음, n측(캐소드)에 양 |
| 공핍층의 폭 | 좁아진다. 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 높이 | q(Vbi − V)로 낮아진다 | q(Vbi + VR)로 높아진다 |
| 전류와 캐리어의 움직임 | 다수 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 관계 | I ≈ 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 흐른다 | 전압과 관계없이 거의 일정한 작은 전류(이상적으로는 −Is. 실제로는 공핍층에서의 생성 전류가 더해진다). 온도가 오르면 크게 늘어난다 |
| 지배적인 용량 | 확산 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 µm | 공핍층의 폭은 역바이어스 5 V에서 약 0.87 µm, 20 V에서 약 1.6 µm. 5 V에서의 접합 용량은 0 V의 약 0.39배 |
| 항복 | 일어나지 않는다. 대전류에서는 직렬 저항과 발열이 전류를 제한한다 | 어떤 전압을 넘으면 애벌란시 항복이나 제너 항복으로 전류가 급격히 늘어난다 |
| 주요 용도 | 정류 회로에서 도통하는 방향, LED와 레이저 다이오드의 발광, 바이폴라 트랜지스터의 베이스-이미터 접합, 온도 센서 | 포토다이오드, 가변 용량 다이오드(바랙터), 제너 다이오드(항복시켜 사용), 애벌란시 포토다이오드, 접합에 의한 소자 분리 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.