PN 접합 다이오드: 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 내부의 균형
다이오드는 두 단자 사이의 전압에 따라 전류가 비대칭적으로 흐르는 소자다. 대표적인 PN 접합 다이오드는 정공이 다수인 P형 반도체와 전자가 다수인 N형 반도체를 접합해 만든다. 두 영역을 붙이면 단순히 전자가 일방적으로 계속 이동하는 것이 아니라, 농도 차이에 의한 확산과 전기장에 의한 이동이 균형을 이루는 새로운 상태가 생긴다.
공핍층에는 고정된 전하가 남는다
접합 직후 전자는 N쪽에서 P쪽으로, 정공은 P쪽에서 N쪽으로 확산한다. 접합 근처의 이동 가능한 운반자가 줄어들면서 N쪽에는 양전하를 띤 이온화 도너, P쪽에는 음전하를 띤 이온화 억셉터가 남는다. 이 고정 전하가 만든 전기장은 N쪽에서 P쪽을 향한다. 공핍층은 전하가 전혀 없는 공간이 아니라 이동 운반자가 적고 공간 전하가 존재하는 영역이다.
열평형에서는 이 전기장에 의한 드리프트 전류와 농도 차이에 의한 확산 전류가 서로 상쇄돼 순전류가 0이다. 내부 전위 장벽이 있다고 외부 단자에서 같은 전압을 배터리처럼 꺼낼 수 있는 것은 아니다. 접촉부의 전위와 평형 조건도 함께 작용한다. MIT의 접합 평형 자료는 이 확산·드리프트의 균형을 설명한다.
전압의 부호가 장벽을 바꾼다
P쪽을 애노드 A, N쪽을 캐소드 K로 두고 V_D = V_A - V_K라고 정의하자. V_D > 0인 순방향 바이어스는 장벽을 낮춰 운반자 주입을 증가시킨다. 반대로 V_D < 0인 역방향 바이어스는 공핍층을 넓히며, 항복 전까지 작은 누설 전류가 흐르는 상태를 만든다. 관습적인 순방향 전류는 애노드에서 캐소드로 향하며 전자의 이동 방향과 구분해야 한다.
대표적인 근사식은 I_D = I_S[exp(V_D/(nV_T)) - 1]이다. I_S는 A 단위의 포화 전류, n은 무차원 이상 계수, V_T = kT/q는 열전압이다. 300 K에서 V_T는 약 25.9 mV다. 이상적인 n = 1 모델에서 전류를 열 배로 늘리는 데 필요한 전압 증가는 약 V_T ln(10) = 59.6 mV다. MIT의 바이어스 접합 설명은 이런 지수적 변화가 성립하는 주입 조건을 다룬다.
0.7 V는 스위치 경계가 아니다
실리콘 다이오드가 정확히 0.7 V부터 켜진다는 설명은 계산을 위한 단순화다. 실제 순방향 전압은 전류, 온도, 재료와 소자 구조에 따라 달라진다. 5 V 전원에서 다이오드 강하를 0.7 V로 가정하고 10 mA를 흘리려면 직렬 저항은 (5 - 0.7)/0.010 = 430 Ω이다. 이때 저항 손실은 약 43 mW다. 이 결과는 일정 전압 강하 모델의 예이며 실제 전류는 특성 곡선과 공차로 확인해야 한다.
공핍층은 유전체를 사이에 둔 구조처럼 정전용량도 만든다. 단순 근사에서 접합 용량은 C_j ≈ ε_s A/W이며, ε_s는 반도체 유전율, A는 접합 면적, W는 공핍층 폭이다. 역바이어스로 W가 커지면 용량이 줄어드는 경향이 있다. 순방향에서는 주입된 운반자가 저장되는 확산 용량도 중요하다. 이 때문에 다이오드의 전류 특성이 적합해도 고주파 회로에서 신호를 얼마나 지연시키는지는 별도로 확인해야 한다.
큰 전류에서는 직렬 저항 효과가, 빠른 스위칭에서는 접합 용량과 저장 전하가 중요해진다. 역전압이 충분히 커지면 항복 전류도 생겨 단순한 누설 모델을 벗어난다. 따라서 정류, 신호 제한, 보호 회로에서 같은 다이오드를 쓰더라도 확인할 사양은 다르다. 원하는 동작 전류의 전압 특성, 역전압 정격, 열 손실과 전환 속도를 함께 읽어야 소자를 한 방향 스위치 이상의 대상으로 이해할 수 있다.