Microelectronics - 07. PN junction Under Reverse Bias.

먼저 디바이스에 외부 전압을 인가하여, Voltage Source 가 N 측을 P 측보다 더 Positive 하게 만드는 것부터 알아보겠다. 

Negative 측 종단에 Positive 전압이 연결되었기 때문에 우린 이 junction 을 'Reverse Bias' 라고 부른다. 명사나 동사의 의미를 가지는 'Bias' 의 뜻은 '원하는' 조건에서의 '동작'을 의미한다. 뒤에서 'Bias' 의 개념을 좀 더 광범위하게 다룰 예정이다.

 

Reverse bias 의 경우, PN junction 의 평형에서 알게 된 결과들을 다시 재검토할 필요가 있다. 먼저 외부 전압이 'built-in electric field' 를 enhance 하는지 oppose 하는지부터 알아야 한다. 평형이라는 조건 하에, 전기장은 N 측에서 P 측으로 향하고  Vr 은 전기장을 enhance 한다. 하지만 더 큰 세기의 전기장은 더 많은 양의 고정 전하가 제공되는 경우에만 유지가 되고, 더 많은 양의 acceptor 와 donor 이온들이 노출되므로, 공핍 영역이 확장되게 된다. 

 

그렇다면 확산 전류와 드리프트 전류에는 어떤 변화가 있을까? 외부 전압이 전기장을 강화했기 때문에, barrier 는 평형 상태보다 더 높아졌고, 전류의 흐름을 방해한다. 다른 말로, Reverse bias 의 경우, junction 은 무시할 만한 수준의 전류가 흐르게 된다. 

 

전류의 흐름이 없다면, Reverse bias 의 PN junction 은 쓸모가 없어 보일 수도 있다. 그러나, 위 그림처럼 전압이 증가하면 더 많은 양전하가 n 측에 발생하고 더 많은 음전하가 p 측에 발생하여 디바이스가 Capacitor 와 같이 동작할 수 있게 된다. 도전성을 띈 n 과 p 영역을 마치 Capacitor 의 두 극판으로 볼 수 있는 것이다. (또한, 공핍 영역의 전하가 두 극판에 동등하게 존재한다고 가정해야 한다.) 

 

 

평행한 극판 두 개만 있으면 Capacitor 를 형성할 수 있기 때문에, 이러한 목적을 위한 PN junction 은 납득이 되지 않을 수 있다. 하지만 reverse-biased PN junctions 은 특이한 성질을 이용하여 회로 설계에 아주 유용하게 쓰일 수 있다. Vr 전압이 증가할수록 공핍 영역이 넓어지고, 이는 극판 사이가 멀어지는 효과를 낸다. 즉, 전압으로 정전 용량을 조정할 수 있음을 시사한다.

 

reverse bias 로 인한 - Vr

 

단위 면적 당 junction 의 정전 용량은 위와 같다. Cj0 는 zero bias (Vr = 0)에 대응하는 정전 용량을, V0 는 built-in potential 을 나타낸다. 아래의 식과 junction capacitance 공식을 활용하여 Cj0, 2.76 의 식을 알 수 있다. 

 

€si 는 실리콘의 유전 상수 값이며, 11.7 x 8.85 x 10^-14 F/cm 이다. 실제로 아래 그림과 같이 Vr 이 증가함에 따라 Cj 는 감소하게 된다.