[물리전자] 역방향전압(Reverse Vias)

지금까지는 반도체의 평형상태인 상황을 가정해서 해석해 보았다. 하지만 실제로는 평형상태인 반도체는 전자소자로서 의미가 없다. 전자소자로 사용되기 위해서는 전류가 필수적으로 흘러야 하는데, 전류가 흐른다는 것은 더 이상 평형상태가 아님을 의미한다. 따라서 평형상태가 아닌 반도체의 성질을 알아야 할 필요성이 있다. 특히 이번에는 반도체 pn접합상태에서 역방향 전압이 걸려있는 상황을 한번 생각해 보자. 

역방향 전압이 걸린 pn접합

위와 같이 p 쪽에 - n 쪽에 +전압이 걸려있는 상황을 역방향 전압이 걸려있다고 말한다. 이전에 설명했던 중성영역에서 전기장은 n에서 p방향이라고 했던 것을 기억하는가? 이 역방향전압에 의한 전기장 역시 마찬가지로 n에서 p방향으로 걸리게 된다. 이 역방향 전압은 중성영역의 전기장과 마찬가지로 같은 방향이기 때문에 캐리어들의 확산을 방해하는 역할을 하게 된다. 다시 말해 방해하는 전기장이 외부의 역방향 전기장에 의해서 더해지면서 확산을 막는 힘이 더 강해진다고 말할 수 있다. 이 때문에 확산이 더 발생하지 않게 되고 전류가 흐를 수 없게 된다. 

 

#역방향 전압의 퍼텐셜 및 밴드구조

역방향 전압을 가했을때 밴드구조

계속 강조한내용이 자연상태일 때 페르미 에너지 레벨은 상수로 존재한다는 것이었다. 하지만 지금 상황은 자연상태가 아니다. 왜냐하면 외부의 전압이 직접적으로 반도체에 직접적으로 가해지고 있는 상황이기 때문에 더 이상 상수로 존재하지 않게 된다. 따라서 위와 같이 더 이상 일자로 형성되지 않고 x=0 경계에서 절단된 밴드구조를 가진다. 따라서 밴드의 휘어진 정도도 평형상태일 때 보다 더 많이 휘어진 것을 확인할 수 있다. 이는 곧 중성영역에서 더 강한 전기장이 걸려있다는 의미와 동일하다. (원래전기장에서 역방향전압에 의한 전기장이 더해졌기 때문)

퍼텐셜 장벽의 변화

퍼텐셜 역시 역방향전압에 의해서 달라진다. 원래 평형상태일 때 기본적으로 빌트인 퍼텐셜이 존재하고 이에 역방향으로 퍼텐셜을 더 추가하였기 때문에 역방향으로 전압을 건만큼 더 추가된다. 즉, 원래 확산을 방해했던 퍼텐셜에서 역방향전압에 의해 확산을 방해하는 힘이 커졌기 때문에 그만큼의 퍼텐셜 장벽 역시 더 높아지게 된다. 따라서 전체 퍼텐셜은 원래의 중성상태 빌트인 퍼텐셜과 역방향전압을 더한 것이 된다. 

 

#공식의 변화

앞서 설명했던 공식역시 식의 형태가 변한다. 공식에서 사용되었던 빌트인 퍼텐셜은 역방향전압이 걸리기 때문에 더 큰 퍼텐셜이 걸리게 된다. 따라서 기존에 사용되었던 빌트인 포텐셜에서 외부에 걸어준 역방향전압을 더하면 된다. 공식에서 나머지 항은 변화가 없고 오직 퍼텐셜에서의 변화가 생기기 때문에 따로 외울 필요 없이 변하는 항만 이해하면 될 것이다.