PN 접합과 바이어스

1. PN 접합

pn 접합은 p형 반도체 재료와 n형 반도체 재료가 합쳐져 형성된 접합입니다. 용어 "p"는 양전하를 나타내고, 용어 "n"은 음전하를 나타냅니다. p형 반도체에서, 다수의 캐리어(즉, 지배적인 전하 캐리어)는 결정 격자에서 양전하를 띤 빈 공간인 구멍입니다. n형 반도체에서 대다수의 운반체는 음전하를 띤 전자입니다. p형 반도체와 n형 반도체가 접촉하면 n형 반도체의 전자는 p형 물질로 확산되고, p형 물질의 구멍은 n형 물질로 확산됩니다. 전하 캐리어의 이러한 확산은 자유 전하 캐리어가 없는 접합부 주변에 고갈 영역을 생성합니다. 고갈 영역은 전하 캐리어의 추가 확산에 반대하는 전위 장벽을 생성하는 전기장이 존재하는 영역입니다. 이 잠재적 장벽은 내장된 잠재력으로 알려져 있습니다. 내장 전위의 크기는 p형 및 n형 물질의 도핑 농도에 따라 달라집니다. PN 접합부에는 몇 가지 중요한 특성과 응용 프로그램이 있습니다. 예를 들어, 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하는 정류기로 사용할 수 있습니다. 그것은 또한 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 포토다이오드로도 사용될 수 있습니다. 또한, 트랜지스터 및 집적 회로와 같은 많은 전자 장치에서 필수적인 구성 요소입니다.

2. 제로 인가 바이어스

제로 인가 바이어스는 장치 또는 회로에 외부 전압이 인가되지 않은 상태를 의미합니다. 다이오드, 트랜지스터, 집적 회로와 같은 전자 장치에서 바이어스 전압의 인가는 전기적 거동에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 다이오드와 같은 장치에 제로 바이어스가 적용될 때, 장치는 장치의 고유한 전기적 특성의 영향 하에서만 작동합니다. 다이오드의 경우, 본질적인 특성은 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있는 특정한 전압-전류 관계를 갖게 합니다. 제로 바이어스 조건에서 이 관계는 다이오드를 형성하는 p-n 접합의 특성에 의해 제어됩니다. 제로 바이어스 조건에서, p-n 접합은 전자의 흐름에 대한 잠재적 장벽을 만드는 내장 전위를 가지고 있습니다. 장벽의 크기는 장치의 온도뿐만 아니라 p형 및 n형 영역의 도핑 농도에 따라 달라집니다. 다이오드에 순방향 전압이 인가되면 장벽이 감소하고 전자가 장치를 통해 더 쉽게 흐를 수 있습니다. 반대로 역전압이 인가되면 장벽이 증가하여 전자의 흐름이 크게 감소합니다. 요약하자면, 제로 인가 바이어스는 장치에 외부 전압이 인가되지 않은 상태를 의미합니다. 다이오드와 같은 전자 장치에서, 장치의 고유한 전기적 특성은 이러한 조건 하에서 동작을 결정합니다. 다이오드의 경우, p-n 접합은 전자의 흐름을 제어하는 전위 장벽을 만들어 전류가 한 방향으로만 흐르도록 합니다.

3. 역가동 바이어스

역가동 바이어스는 다이오드와 같은 장치에 전압이 인가되어 정상 동작과 반대 방향으로 전압이 인가되는 상태를 의미합니다. 즉, 전압은 디바이스의 전위 장벽을 증가시키는 경향이 있는 방식으로 인가됩니다. p-n 접합 다이오드의 경우 역 바이어스 전압을 인가하면 전위 장벽이 증가하여 전자가 소자를 통과하기가 더욱 어려워집니다. 이는 p형과 n형 영역의 다수 캐리어가 접합부로부터 당겨져 더 넓은 고갈 영역이 생성되기 때문입니다. 전위 장벽을 크게 증가시키기 위해 필요한 역 바이어스 전압의 크기는 p-type 및 n-type 영역의 도핑 농도에 따라 달라집니다. 인가된 전압이 파괴 전압이라고 불리는 특정 임계값을 초과하면 전위 장벽이 극복되고 전류가 다이오드를 통해 역방향으로 흐릅니다. 이 현상은 역파손이라고 알려져 있습니다. 역분해는 다이오드의 의도된 적용에 따라 바람직하거나 바람직하지 않은 효과가 될 수 있습니다. 예를 들어, 제너 다이오드에서는 회로의 전압을 조절하기 위해 의도적으로 역분해가 사용됩니다. 다른 경우에는 역방향 고장으로 인해 장치가 원치 않는 손상을 입을 수 있습니다. 요약하면, 역가동 바이어스는 다이오드와 같은 장치에 전압을 인가하여 장치의 전위 장벽을 높이는 것을 의미합니다. 이는 인가된 전압이 파괴 전압을 초과하여 전류가 역방향으로 흐르게 할 경우 역방향 파괴로 이어질 수 있습니다.

4. 접합부 파괴

접합부 파괴는 PN 접합 다이오드가 고장나 큰 전류가 소자를 역방향으로 흐르게 하는 현상을 말합니다. 이는 다이오드에 인가되는 역 바이어스 전압이 파괴 전압이라고 하는 특정 임계 값을 초과할 때 발생합니다. 접합부 파괴에는 제너 파괴와 눈사태 파괴의 두 가지 유형이 있습니다. 제너 파괴는 심하게 도핑된 pn 접합부에서 발생하는데, 전기장이 너무 강해서 전자가 p형 물질의 원자가 대역에서 빠져나와 전도 대역으로 들어가 큰 전류 흐름을 만듭니다. 이러한 유형의 분해는 제너 다이오드에서 처음 관찰되었기 때문에 제너 분해로 알려져 있습니다. 반면에, 눈사태 파괴는 전기장이 제너 파괴를 일으킬 만큼 충분히 강하지 않은 가볍게 도핑된 pn 접합에서 발생합니다. 이 경우 전기장은 자유 전자를 가속시켜 결정 격자의 원자와 충돌하여 추가적인 자유 전자와 구멍을 만듭니다. 이 과정이 계속되어 큰 전류 흐름이 발생합니다. 이러한 유형의 붕괴는 전자와 구멍이 빠르게 증가하는 눈사태와 유사하기 때문에 눈사태 파괴라고 불립니다. 접합 파괴는 다이오드의 의도된 용도에 따라 바람직한 효과 또는 바람직하지 않은 효과일 수 있습니다. 예를 들어 제너 다이오드에서 제너 파괴는 회로의 전압을 조절하기 위해 의도적으로 사용됩니다. 전원 공급 장치와 같은 다른 경우에는 접합 고장으로 인해 다이오드가 원치 않는 손상을 입을 수 있습니다. 요컨대, 접합 파괴는 PN 접합 다이오드가 고장나 소자를 역방향으로 큰 전류가 흐르게 하는 현상입니다. 이는 다이오드에 인가되는 역 바이어스 전압이 특정 임계 값을 초과할 때 발생하며, pn 접합의 도핑 농도에 따라 제너 파괴 또는 아발란치 파괴가 발생할 수 있습니다.