[물리전자] 순방향전압(Forward Vias)

저번에는 역방향전압이 걸리는 상황에 대해서 알아보았다. 이번에는 반도체 pn접합에 순방향 전압이 걸리는 상황을 한번 알아보자. 순방향 전압은 p에 +전극, n에 -전극이 걸리는 전압을 말한다. 

순방향전압

이전에 배웠던 역방향전압은 캐리어의 확산을 방해하는 전기장의 세기를 더 커지게 하는 전압이라고 설명했었다. 이번에 걸리는 순방향전압은 이와 반대되는 특성을 가진다. 순방향전압은 확산을 도와주는 전기장이 형성된다. 즉, 중성영역에 형성되어 있는 확산을 방해하는 전기장에 반대되는 순방향 전기장이 형성되어서 확산을 방해하는 전기장의 세기를 보다 약하게 만들어주는 역할을 하게 된다. 따라서 중성영역에서 걸리는 확산을 방해하는 전기장이 약해지게 된다. 역방향전압의 가장 큰 특징은 반도체에 전류가 흐를 수 있다는 것이다. 밴드의 장벽이 낮아지게 되어서 전자가 통과할 수 있는 확률이 커지기 때문에 전류가 잘 흐르는 상태가 된다. 

 

#순방향전압의 밴드구조

밴드구조

밴드구조역시 더 이상 자연상태가 아니기 때문에 페르미 에너지 준위가 상수로 존재하지 않게 된다. 따라서 위와 같이 평형상태와는 다른 밴드구조를 갖는다. 순방향전압은 중성영역의 전기장을 약해지게 한다고 이전에 설명했었다. 따라서 밴드의 장벽 높이는 평형상태일 때보다 더 낮아져야 할 것이다. 따라서 밴드의 높이를 보면 평형상태일 때보다 더 낮아진 것을 확인할 수 있다. 따라서 퍼텐셜 또한 빌트인 퍼텐셜에서 걸어진 순방향전압만큼 낮아진다. 

 

#퍼텐셜의 변화

 

퍼텐셜역시 밴드와 동일하게 순방향전압만큼 총 토털 장벽이 낮아진다. 따라서 총퍼텐셜이 빌트인 퍼텐셜에서 순방향전압만큼 퍼텐셜을 뺀 값이 된다. 특히 순방향 전압이 걸리는 경우에는 전류가 흐를 수 있는 상황이기 때문에 전류가 흐를 때의 전류 식 또한 평형상태의 반도체에서와 약간 다르게 나타난다. 후에 다시 다룰 것이지만 퍼텐셜장벽이 낮아지기 때문에 전류가 더 잘 흐를 수 있는 환경이 만들어진다는 것만 기억해 두자.

순방향 전류 그래프

순방향전압에서는 전류가 흐를 수 있기 때문에 위와 같이 전류그래프가 형성된다. 물론 이상적인 상황에서 전류는 위와같이 흐르지만 실제로는 이상적인 상황이 아니기 때문에 약간 다르게 흐른다. 전류에 관해서는 추후에 다시 설명하겠다. 

 

#공식의 변화

공식의 변화

공식 역시 저번에 변화한 것과 마찬가지로 퍼텐셜 부분만 변화하기 때문에 좀 더 작아진 퍼텐셜로 바뀐다. 동일하게 퍼텐셜항만 바뀌고 나머지는 변화가 없기 때문에 따로 외울 필요 없이 변화하는 항만 알아두어도 무방하다.