다이오드의 원리

다이오드의 원리, pn 접합, depletion, 한 방향으로만 전류가 흐르는 이유

다이오드는 한 방향의 전류만 흐를 수 있게 해주는 장치이다. 건전지를 도선에 연결하고 도선에 다이오드를 연결하는 방향에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않거나가 결정된다. 다이오드는 두가지 종류의 반도체를 접합하여 만든다. 하나는 p형 반도체, 하나는 n형 반도체이다. 우선 반도체란 도체와 부도체의 중간 성질을 가지는 물질로서 전압에 따라 전류가 흐르기도 하고 흐르지 않기도 하는 속성을 가지고 있다. 대표적인 물질로 실리콘이 있다. p형 과 n형 반도체는 반도체에 전도성을 더 크게 하기 위하여 최외각 전자가 순수 반도체 원자보다 한개 적거나(p형) 많은(n형) 물질을 섞은 것이다. 이렇게 불순물(최외각 전자수가 다른 원소)을 첨가하는 것을 도핑이라고 한다. 도핑을 하게 되면 공유결합을 하지 않고 한 전자가 남거나(n형) 공유결합 자리가 하나 비어있게 된다(p형). 빈 자리를 정공이라고 하며 플러스 전하로 취급할 수 있다.

정공을 생각하는 방법. 정공은 전자가 없는 자리이다. 이때 정공에 가상의 전자를 집어 넣고 가상의 플러스 전자가 자유롭게 있는 것으로 취급한다. 

즉 정공(0)=전자(-)+양전자(+) 가 된다. 이렇게 하면 정공을 왜 플러스 전하와 다를 것 없게 취급하는 지를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 놓은 것이다. p형 반도체안에는 정공이 자유롭게 마구 움직이고 있을 것이고 n형 반도체 안에는 자유전자가 마구 움직이고 있다. 확산의 원리와 엔트로피의 원리에 의해서 전자와 정공은 섞일 수 밖에 없다. 확률적으로 한쪽에는 정공만 한쪽에는 전자만 딱 나뉘어서 존재할 수 없기  때문이다. 그 섞임은 바로 p형 반도체와 n형 반도체의 접합부에서 일어나게 된다. 전자와 정공이 섞이면 결국 서로 상쇄되어 사라진다. 그러면 접합부 주변에는 정공도 없고 전자도 없는 구역이 형성되는데 이것을 depletion이라고 한다. p형 반도체는 정공이 있을때 중성이었다. 그런데 정공이 없어졌으니 접합부위는 음의 전하를 띠게 될 것이다. 마찬가지로 n형 반도체의 접합부는 전자가 없어졌으니 양전하를 띠게 된다. 그래서 접합부에서는 n형 반도체에서 p형 반도체로의 전기장이 형성된다.

다이오드에 p형 반도체에 플러스 전압을 걸고 n형 반도체에 마이너스 전압을 걸게 되면 p형 반도체의 정공들은 접합부로 가게 되고 마찬가지로 n형 반도체의 전자도 접합부로 밀리게 될 것이다. 그런데 아까 말했듯이 접합부에 생긴 전기장이 형성되어 있는데 이 전기장의 방향은 지금 걸어준 전압의 방향과 반대이므로 전류는 흐르지 않게 된다. 전류의 흐름을 방해하는 문턱으로 작용하는 것이다. 이때 전압을 더 크게 걸어주면 전류가 흐르게 된다. 이것이 다이오드에서 일정이상의 정방향 전압이 걸려야 전류가 흐르기 시작하는 이유이다.

다이오드에 반대 방향으로 전압을 걸면 왜 전류가 흐르지 않는 것인가? 반대방향으로 전압을 건 경우를 생각해보자. p형 반도체의 정공은 접합부에서 멀어지려 하고 마찬가지로 n형 반도체의 전자도 접합부에서 멀어지려 한다. 이때 생기는 의문은 접합부에서 p형 반도체의 전자가 n형 반도체로 전자를 공급해주면서 p형 반도체에 정공을 형성하게 되며 전류가 흐를 수 있지 않을까 하는 것이다.

여기서 고려되어야 할게 바로 전자의 에너지 준위이다. 전자는 원자에서 원자핵에 대한 위치에너지를 가지는 에너지 준위를 가지고 있다 쉽게 생각해 원자핵과 전자는 서로 당기므로 멀어지기 위해서 에너지가 투입되어야 하므로 원자핵에서 전자가 멀 수록 에너지 준위가 높다고 할 수 있다. 이때 정공과 자유전자의 에너지 준위 차이를 고려해 주어야 한다. 반도체에서 정공은 공유결합을 하는 전자들의 에너지 준위를 가지고 있고 자유 전자는 그보다 높은 에너지 준위를 가지고 있다. 공유결합을 다 하고 거기에 전자가 하나 더 쌓여야 자유전자가 되는 것을 생각해보라. 자유전자는 정공보다 높은 에너지 준위를 가진다. 정공과 자유전자의 결합을 생각해보자. 그것은 자유전자가 공유결합의 에너지 준위로 낮아지는 것을 의미한다. 정방향의 전압이 걸렸을 때는 전자의 에너지 준위가 낮아지는 자연스런 방향으로 전자가 이동하므로 전류가 흐를 수 있는 것이다. 하지만 역방향 전압이 걸린 경우는 p형 반도체에서 공유결합 위치의 전자가 n형 반도체로 이동하면서 더 높은 자유전자 에너지 준위가 되어야 하는 것이다. 이렇게 되기 위해선 에너지가 필요하다. 그 에너지는 전압이 될 수 있다. 그런데도 전류가 흐르지 않는 이유는 전류가 흐르고 에너지 준위를 높이는 것보다 p형 반도체 정공에 점점 정공이 쌓이면서 depletion이 넓어지는 것이 더 쉽기 때문이다. 그런데도 계속 전압을 높여주다 보면 결국 전류가 흐르게 된다고 한다. 하지만 그때는 발열이 심해 다이오드가 손상될 것이다.

다이오드에 정방향 전압을 걸면 자유전자는 정공으로 가면서 에너지 준위가 낮아지게 된다. 그러면 그 에너지는 어디로 가는가? 이 에너지를 활용한 것이 LED이다. 에너지 준위가 낮아지면 빛이 방출되는데 그것이 LED의 원리이다. 반대의 경우가 태양광 발전이다. 역방향 전압을 걸면 에너지 준위를 역행해야 하기 때문에 전류가 흐르지 않았는데 빛이 전자에 들어가게 되면 전자의 에너지 준위가 높아지면서 전자는 자유전자 에너지 준위로 이동하고 p형 반도체에 정공을 생성하고 n형 반도체에 자유 전자를 공급한다. 즉 다이오드에 빛을 가하면 n에서 p방향으로(평소의 역방향) 전류가 흐르게 되는 것이다.