p-n 다이오드

P–N 다이오드

유형	반도체
작동 원리	p-n 접합
핀 구성	A: 양극, K: 음극
전자 기호

이 문서에서는 p–n 다이오드 동작에 대해 p–n 접점 또는 다이오드에서 볼 수 있는 것보다 더 자세히 설명합니다.

p-n 다이오드는 p-n 접합에 기초한 반도체 다이오드의 일종입니다.다이오드는 한 방향으로만 전류를 통전하며, p형 반도체층과 n형 반도체층을 접합하여 만든다.반도체 다이오드는 교류에서 직류로의 정류, 무선 신호 검출, 발광 및 광검출 등 다양한 용도로 사용됩니다.

구조.

그림에는 p-n 반도체 다이오드에 사용되는 많은 가능한 구조 중 두 개가 표시되며, 두 구조 모두 역바이어스 시 장치가 견딜 수 있는 전압을 증가시키도록 조정된다.상부 구조에서는 메사를 사용하여 인접 n층 옆에 있는 p 영역의⁺ 급격한 곡률을 방지합니다.하부구조는 p층의⁺ 날카로운 모서리 가장자리에 가볍게 도핑된 p-guard-ring을 사용하여 전압을 더 멀리 분산시켜 전계를 감소시킨다(n 또는⁻ n과 같은⁺ 슈퍼스크립트는 더 무겁거나 더 가벼운 불순물 도핑 수준을 의미한다).

전기적 거동

이상적인 다이오드는 순방향 바이어스 극성에 대해 저항이 0이고 역방향 전압 극성에 대해 무한 저항(전류 0)이 있습니다. 교류 회로에 연결된 경우 반도체 다이오드가 전기 정류기 역할을 합니다.

반도체 다이오드는 이상적이지 않습니다.그림과 같이 다이오드는 0이 아닌 무릎 전압(온온 전압 또는 컷인 전압이라고도 함)에 도달할 때까지 현저하게 전도하지 않습니다.이 전압 이상에서는 전류-전압 곡선의 기울기가 무한하지 않습니다(온 저항이 0이 아님).역방향에서는 다이오드가 0이 아닌 누출 전류(그림의 작은 스케일로 과대 표시)를 전도하며, 고장 전압보다 충분히 큰 역방향 전압에서 전류는 더 많은 음의 역방향 전압과 함께 매우 빠르게 증가합니다.

그림에서 볼 수 있듯이 ON 및 OFF 저항은 선택한 바이어스 포인트에서 전류 전압 특성의 상호 기울기입니다.

${\displaystyle r_{D}=\left.{\frac {Delta v_{D}} {\Delta i_{D}}\오른쪽 {v_{D}=V_{B}IAS}}\,}$

여기서_D r은 저항이고 δi는_D 바이어스_D v=V에서_BIAS 다이오드 전압 변화 δv에_D 해당하는 전류 변화입니다.

작동

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여기서는 갑작스러운 p-n 다이오드의 동작을 고려합니다.'파손'이란 p형 도핑과 n형 도핑이 서로 만나는 평면에서 단계 함수를 불연속적으로 나타낸다는 것을 의미합니다.목적은 전류-전압 특성을 나타내는 그림에서 다양한 바이어스 방식을 설명하는 것입니다.작동은 다양한 바이어스 조건에서 다이오드 내부의 위치에 따라 가장 낮은 전도 대역 에너지 및 가장 높은 원자가 대역 에너지가 어떻게 변화하는지를 보여주는 밴드 벤딩 다이어그램을 사용하여 설명합니다.상세한 것에 대하여는, 문서 「Semiconductor and Band diagram」(반도체 및 밴드도)를 참조해 주세요.

제로 바이어스

그림은 p–n 다이오드에 대한 밴드 벤딩 다이어그램을 보여줍니다. 즉, 전도 밴드(위쪽 라인)와 원자가 밴드(아래쪽 라인)의 밴드 에지(아래쪽 라인)는 p-타입 재료(왼쪽)와 n-타입 재료(오른쪽) 사이의 접합부 양쪽에 위치 함수로 표시됩니다.같은 반도체의 p형 영역과 n형 영역이 합쳐져 2개의 다이오드 접점이 단락되면 페르미 반점유율(대시 수평직선)은 일정한 레벨에 위치하게 된다.이 레벨은 접점 양쪽에 있는 전계 없는 벌크에서 홀과 전자 점유율이 올바른지 확인합니다(따라서 예를 들어 점유율을 조정하기 위해 전자가 n측을 떠나 단락 회로를 통해 p측으로 이동할 필요는 없습니다).

단, Fermi 레벨이 평탄한 경우에는 p형 측의 밴드가 n형 측의 대응하는 밴드보다 높게 이동해야 하며 밴드 엣지에 스텝(또는 장벽)을 형성하고 θ로_B 라벨이 붙는다.이 단계는 p-측 전자 밀도를 n-측보다 작은 볼츠만 계수 exp(-γ_B/V_th)로 하여 p-영역의 낮은 전자 밀도에 대응합니다.기호_th V는 열 전압을 나타내며, V = kT_B/q로 정의됩니다_th.T = 290 kelvins (상온)에서 열전압은 약 25 mV입니다.마찬가지로, n측의 홀 밀도는 p측의 홀 밀도보다 작은 볼츠만 계수이다.접합부 전체에 걸친 소수 반송파 밀도의 이러한 상호 감소는 반송파 밀도의 pn-곱을 강제한다.

$\displaystyle pn=p_{B}n_{B},e^{-\varphi_{\mathrm {B}}/V_{\mathrm {th}}}$

평형 상태에서 다이오드 ^[1]내의 임의의 위치에 있어야 합니다.여기서_B p와_B n은 각각 p측과 n측의 벌크 과반수 반송파 밀도입니다.

이 밴드 엣지의 스텝에 의해 접합부 근방의 고갈영역이 구멍과 전자의 양쪽으로 고갈되어 이동전하가 거의 없는 절연영역을 형성한다.그러나 도판트 이온으로 인해 고정된 고정 전하가 있습니다.고갈층에 이동 전하가 거의 없다는 것은 존재하는 이동 전하가 도판트 이온에 의해 기여되는 고정 전하(수용체 도판트에 의한 p형 측의 음전하 및 공여체 도판트에 의한 n형 측의 양전하)의 균형을 이루기에 부족하다는 것을 의미합니다.이 전하 때문에 이 영역에는 포아송 방정식으로 결정되는 전장이 있습니다.고갈 영역의 폭은 p측의 음의 수용체 전하가 n측의 양의 공여체 전하를 정확히 평형시키도록 조정되므로 양쪽의 고갈 영역 밖에 전계가 없습니다.

이 대역 구성에서는 전압이 인가되지 않으며 다이오드를 통해 전류가 흐르지 않습니다.다이오드를 통해 전류를 강제하려면 다음에 설명된 대로 전방 바이어스를 적용해야 합니다.

전방 바이어스

전방 바이어스에서는 전지의 정단자를 p형 재료에 접속하고, 부단자를 n형 재료에 접속하여 p형 재료에 구멍을 뚫어 n형 재료에 전자를 주입한다.n형 물질의 전자는 저쪽에서 다수 캐리어라고 불리지만, p형 쪽으로 가는 전자는 소수 캐리어라고 불립니다.홀에도 같은 기술이 적용됩니다.홀은 p타입 측에서는 다수 캐리어, n타입 측에서는 소수 캐리어입니다.

순방향 바이어스는 인가된 전압의 양에 따라 두 벌크 하프 점유 레벨을 구분하여 p형 벌크 밴드 에지의 분리를 낮추고 n형 벌크 밴드 에지에 더 가까운 에너지로 한다.그림에서 보듯이 밴드 에지의 스텝은 인가 전압만큼 δ-v로_BD 감소합니다(밴드 벤딩 다이어그램은 볼트 단위로 작성되므로 전자 전하가 v를 에너지로 변환하지_D 않습니다).

전방 바이어스 하에서는 p측에서 n측으로, 그리고 n측에서 p측으로 반대방향으로 전자의 확산전류(즉 농도구배에 의해 구동되는 전류)가 흐른다.이 전송을 구동하는 구배는 다음과 같이 설정됩니다.인터페이스로부터 떨어진 벌크에서는 마이너리티 캐리어의 농도가 다수 캐리어에 비해 매우 낮습니다.예를 들어 p측(소수 캐리어인 경우)의 전자 밀도는 n측(소수 캐리어인 경우_B)보다 낮은 exp(-γ_th/V) 요인입니다.한편, 인터페이스 부근에서는 전압 v를_D 인가하면 밴드 에지의 스텝이 감소하고 벌크값보다 높은 볼츠만 계수 exp(v_D/V_th)만큼 마이너 캐리어 밀도가 높아집니다.접합부 내에서 pn-곱은 평형 값 이상으로 증가하여 다음과 같이 ^[1]된다.

$\displaystyle pn=\left(p_{B}n_{B}\e^{-\varphi_{B}/V_{th}}\right}\e^{v_{D}/V_{th}}}\.}$

확산의 원동력은 장벽의 큰 초과 소수 캐리어 밀도와 벌크 내의 낮은 밀도 사이의 차이이며, 이 구배는 인터페이스에서 벌크로 소수 캐리어 확산을 촉진한다.주입된 마이너리티 캐리어는 과도한 농도를 벌크값으로 유도하는 재결합 메커니즘에 의해 벌크값으로 이동하면서 수가 감소합니다.

재조합은 다수담체와 직접 접촉하여 양쪽담체를 전멸시키거나 재조합생성센터를 통해 발생할 수 있으며, 재조합을 돕는 구멍과 전자를 교대로 가두는 결함에 의해 발생할 수 있다.소수 캐리어들의 수명은 한정되어 있으며, 이 수명은 그들이 다수 캐리어 측에서 소수 캐리어 측으로 확산될 수 있는 거리(확산 길이)를 제한하고 있다.전자와 홀의 LED 재결합에서 다이오드는 원자가와 전도대역 사이의 에너지갭에 관련된 파장의 빛을 방출하기 때문에 순방향 전류의 일부를 빛으로 변환한다.

전방 바이어스 하에서 홀과 전자의 절반 점유 라인은 평형 상태에 있을 때처럼 장치 전체에 평탄하게 유지될 수 없으며 위치에 따라 변화하는 준 페르미 레벨이 된다.그림에서 보듯이 전자 준페르미 레벨은 위치에 따라 n벌크의 반점유 평형 Fermi 레벨에서 p벌크의 깊은 구멍에 대한 반점유 평형 레벨로 이동한다.홀 준퍼미 레벨은 그 반대입니다.벌크 재료의 깊이를 제외하고는 두 준 페르미 레벨이 일치하지 않습니다.

이 수치는 다수 캐리어 밀도는 다수 캐리어 농도 수준에서 nB, pB 각자의 벌크 자재에 수준인 요인 exp(−(φB−vD)/Vth)은 평형 값은 전방 다이오드 편견 vD의 양에 따라φB에서 감소된 장애물 상단에 축소될 떨어뜨리면 보여 준다.왜냐하면 이 장벽은 등을 맞대고 침대에만 퍼질러m에 위치해 있배리어 위치에 주입된 캐리어는 이제 소수 캐리어입니다.재조합이 이루어짐에 따라, 소수 캐리어 밀도는 대량 소수 캐리어에 대한 평형값까지 깊이와 함께 감소한다. 즉, 대량 캐리어_B n보다 작은 인수 exp(-θ_th/V_BB)는 주입 전 다수 캐리어로서 감소한다.이 시점에서 준페르미 레벨은 벌크 페르미 레벨 위치에 다시 합류한다.

밴드 가장자리의 단계가 감소한다는 것은 전방 바이어스 하에서 구멍이 p측에서 p측으로 밀려나고 전자가 n측으로 밀려나면서 고갈 영역이 좁아진다는 것을 의미합니다.

단순 p-n 다이오드에서는 반송파 밀도의 기하급수적인 증가로 인해 순방향 바이어스 전압과 함께 순방향 전류가 기하급수적으로 증가하므로 인가 전압의 아주 작은 값에도 항상 약간의 전류가 존재합니다.그러나 특정 전류 레벨에 관심이 있는 경우 해당 전류 레벨에 도달하기 전에 "무릎" 전압이 필요합니다.예를 들어 실리콘 다이오드를 사용하는 회로에 대한 텍스트에서 매우 일반적인 선택은 V_Knee = 0.7V이다.^[2] 무릎 위에서는 전류가 기하급수적으로 계속 증가한다.일부 변압기와 같은 일부 특수 다이오드는 전방 방향으로 무릎 전압까지 낮은 전류 레벨을 유지하도록 의도적으로 설계되어 있습니다.

역편향

역바이어스에서는 홀의 점유수준은 벌크 p형 반도체 수준에 머무르는 경향이 있으며 전자의 점유수준은 벌크 n형의 점유수준을 따른다.이 때 p형 벌크밴드 엣지는 역바이어스_R v에 의해 n형 벌크보다 상승하므로 인가전압에 의해 결정된 에너지에 의해 2개의 벌크점유레벨이 다시 분리된다.이 동작은 그림에서 보듯이 밴드 엣지의 스텝 인이 θ_B+v로_R 증가하고 p측에서는 홀이, n측에서는 전자가 떨어짐에 따라 공핍 영역이 넓어짐을 의미한다.

역바이어스가 적용되면 공핍 영역의 전계가 증가하여 0바이어스의 경우보다 전자와 홀을 더 멀리 당깁니다.따라서 흐르는 전류는 이 영역의 생성-재결합 결함으로 인해 고갈 영역 내에서 캐리어 생성 프로세스가 매우 약하기 때문입니다.그 극소 전류는 역바이어스 하에서의 누설 전류의 원천이다.광다이오드는 입사광에 의해 공핍영역에 구멍과 전자를 만들어 역전류를 도입함으로써 입사광의 일부를 전류로 변환한다.

역바이어스가 매우 커져 파괴전압에 도달하면 고갈영역의 생성처리가 가속화되어 폭주를 일으키고 다이오드를 파괴할 수 있는 눈사태 상태가 됩니다.

다이오드 법칙

이상적인 p-n 다이오드의 DC 전류 전압 동작은 쇼클리 다이오드 방정식에 ^[3]의해 제어됩니다.

$\displaystyle i_{\mathrm {D}=I_{\mathrm {R}}\left(e^{v_{\mathrm {D}}}/V_{\mathrm {th}}}}-1\right)$

여기서_D v는 다이오드의 DC 전압이고_R I는 역포화 전류, 즉 다이오드가 역바이어스일 때 흐르는 전류입니다(즉, v는_D 크고 음).V는_th V = kT_B/q로 정의된_th 열전압이다.이는 T = 290kelvins에서 약 25mV와 동일합니다.

이 방정식은 과도한 역누출이나 파괴현상과 같은 비이상적 거동을 모델링하지 않습니다.많은 실용적인 다이오드에서 이 방정식은 읽기 위해 수정되어야 한다.

${displaystyle i_{D}=I_{R}\left(e^{v_{\mathrm {D}}}/(nV_{\mathrm {th}}}}-1\right),}$

여기서 n은 이상적인 다이오드 법칙에 의해 예측된 것보다 느린 증가율을 모형화하기 위해 도입된 이상성 계수입니다.이 방정식을 사용하면 다이오드 온저항은

${\displaystyle r_{\mathrm {D} = specfrac {1} {di_{\mathrm {D}}/dv_{\mathrm {D}}}}\약 {{frac {nV_{\mathrm {D}}}}}}, {i_{\mathrm {D}}}}}},$

전류가 높을수록 저항이 낮아집니다.

캐패시턴스

p-n 다이오드의 n측과 p측 사이의 고갈층은 2개의 다이오드 접점을 분리하는 절연 영역으로서 기능합니다.따라서 역바이어스의 다이오드는 접점 사이에 유전체 스페이서가 있는 평행판 캐패시터와 유사한 고갈층 캐패시턴스(때로는 더 모호하게 접합 캐패시턴스)를 나타냅니다.역바이어스 시에는 역바이어스_R v의 증가에 따라 공핍층의 폭이 넓어지기 때문에 정전용량이 감소한다.따라서 접점은 전압 제어 가능한 캐패시터 역할을 합니다.단순화된 1차원 모델에서 접합 캐패시턴스는 다음과 같습니다.

${\displaystyle C_{J}=\kappa \varepsilon _{0}{\frac {A}{w(v_{R}}}}\,}$

소자 영역에서는 the상대 반도체 유전율, the전기상수₀, 그리고 공핍폭(이동체 반송파 밀도가 무시할 수 있는 영역의 두께)이 된다.

전방 바이어스에서는 상기 고갈층 캐패시턴스 외에 마이너 캐리어 전하 주입 및 확산이 발생한다.확산 캐패시턴스는 순방향 바이어스의 변화에 따라 발생하는 마이너 캐리어 전하의 변화를 나타낸다.저장된 마이너리티 반송파 전하의 관점에서 다이오드_D 전류 i는 다음과 같습니다.

${\displaystyle i_{D}=flac {Q_{D}}{\tau _{T}}\,}$

여기서_D Q는 소수 캐리어 확산과 관련된 전하이고, θ는_T 소수 캐리어 전달 시간, 즉 소수 캐리어 주입 영역을 통과하는 데 걸리는 시간입니다.통과 시간의 일반적인 값은 0.1 ~100 ^[4]ns입니다이를 바탕으로 확산 캐패시턴스는 다음과 같이 계산된다.

${\displaystyle C_{D}=frac {dQ_{D}}{dv_{D}}=frac {di_{D}}{dv_{D}}=frac {i_{D}\tau {T}{V_{th}}\}.$

일반적으로 정방향 바이어스의 통상 전류 레벨에서는 이 캐패시턴스가 고갈층 캐패시턴스를 크게 웃돌고 있습니다.

과도 응답

다이오드는 매우 비선형적인 디바이스이지만 신호가 변화한다고 생각되는 DC 바이어스에 기초한 작은 신호 회로를 사용하여 응답을 분석할 수 있습니다.Norton 소스에 의해 구동되는 다이오드의 오른쪽에 등가 회로가 표시되어 있습니다.출력 노드에서 키르히호프의 전류 법칙 사용:

${\displaystyle I_{S}=\left(j\obega(C_{J}+C_{D})+{\frac {1}{R_{S}}}\오른쪽)V_{O}\,}$

C는_D 다이오드 확산 캐패시턴스, C는_J 다이오드 접합 캐패시턴스(공핍층 캐패시턴스), r은_D 다이오드 저항을 모두 선택한 대기 바이어스 포인트 또는 Q 포인트에서 사용합니다.이 회로가 제공하는 출력 전압은 다음과 같습니다.

${\displaystyle {V_{O}}{I_{S}}=secfrac {(R_{S}}{\mathit {}r_{D}}{1+j\omega(C_{D}+C_{J})(R_{S}{\mathit {\mathit}}r_{D}}}}}}}},,},},}$

(R_SD r) R과_D r의 병렬_S 조합을 사용한다.이 트랜스저항 앰프는 f:로 표시된_C 코너 주파수를 나타냅니다.

${\displaystyle f_{C}=flac {1}{2\pi(C_{D}+C_{J})(R_{S}{\mathit {\mathit {\mathit }}r_{D}}}}},$

주파수 f > > f의_C 경우 캐패시터가_D 저항 r을 단락할 때 게인이 주파수와 함께 롤오프됩니다.다이오드가 켜져 있는 경우와 마찬가지로 C>>C_J 및 R_S>r이_DD 다이오드의 저항 및 캐패시턴스에 대해 위에서 설명한 식에 따라 다음이 제공됩니다.

${\displaystyle f_{C}=syslogfrac {1}{2\pi n\syslog _{T}}\,}$

이는 코너 주파수와 다이오드 통과 시간 µ을_T 관련짓습니다.

역바이어스로 동작하는 다이오드의 경우 C는_D 0이며 종종 용어 코너 주파수가 컷오프 주파수로 대체됩니다.어쨌든 역바이어스에서는 이상적인 다이오드 법칙이 나타내는 것처럼 무한은 아니지만 다이오드 저항이 상당히 커지며, 드라이버의 노턴 저항보다 작다는 가정은 정확하지 않을 수 있습니다.접점 캐패시턴스는 작고 역바이어스_R v에 따라 달라집니다.컷오프 주파수는 다음과 같습니다.

${\displaystyle f_{C}=flac {1}{2\pi C_{J}(R_{S}{\mathit}r_{D}}}\,}$

그리고 이통사의 고갈된 절연 영역의 폭 w(v)가_R 다이오드 역바이어스 증가에 따라 증가하여 정전용량을 ^[5]감소시키기 때문에 역바이어스에 따라 변화한다.

「 」를 참조해 주세요.

• p-i-n 다이오드

메모들

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