다이오드의 특징과 종류

다이오드-전류전압-특성

다이오드의 전류, 전압 특성

pn 접합 다이오드와 SBD(Shcottky Barrier Diode)의 전류, 전압 특성을 살펴보면 순방향 전압 영역에서 선형에 가까운 그래프 특성을 가지며, 역방향 전압 영역에서 log 함수 그래프 특성을 나타냅니다. 두 다이오드는 상승 전압 Vf, 누설 전류, 내압, 임피던스(온 저항) 등에 차이가 있습니다.

1. 상승 전압
pn 접합 다이오드의 순방향 전압(forward bias) 인가 시 전류의 상승 전압 Vf의 값은 pn 접합 전위 장벽 높이에 의존하고 있으며, 대체로 0.6~0.8V입니다. SBD의 전위 장벽은 pn 접합 장벽보다 낮기 때문에 Vf의 값은 대체로 0.3~0.4V이며, SBD의 중요한 특징입니다.

2. 누설 전류
SBD의 반도체 접합 계면의 상태를 원자 레벨에서 정밀하게 제어하는 것은 어렵기 때문에 접합 계면의 계면 준위나 계면 근처의 반도체 결정성 혼란 등의 영향으로 인해 역방향 전압 인가 시 SBD의 누설 전류는 pn 접합 다이오드보다 높아집니다. 또 고온 동작 시에는 누설 전류가 커지므로 누설 전류에 의한 발열이나, 그것으로 인한 추가적인 누설 전류가 발생할 수 있습니다. 최악의 경우에 일어날 수 있는 열폭주에 대한 주의가 필요합니다.

3. 내압
역방향 전압 인가 시 다이오드의 내압은 저농도 n-형 영역에 형성되는 공핍층의 폭에 의존하고, 공핍층의 폭은 이 n-형 영역의 불순물 농도에 의존합니다. 필요한 내압을 확보하기 위해 n-형 영역의 불순물 농도를 낮추면 이 부분의 기생 저항이 급증하게 됩니다. 반대로, 기생 저항을 저감 하기 위해서 n-형 영역의 불순물 농도를 높게 하면 공핍층의 폭이 감소하기 때문에 공핍층 내의 전계 강도가 급증해 내압이 저하됩니다.

4. 임피던스(온 저항)
pn 접합 다이오드의 ON 상태에서는 p형 Si로부터의 홀의 흐름과 n형 Si로부터의 전자의 흐름이 전류에 기여하기 때문에 온 저항을 줄일 수 있지만, n형 Si를 이용한 SBD의 전류는 전자류뿐이기 때문에 n-형 Si의 불순물 농도 등이 같을 경우 SBD의 온 저항은 pn 접합 다이오드보다 커집니다. 그런데 양자의 온 저항에 있어서의 우열은 스위칭 특성에 있어서는 역전합니다.

 

다이오드 스위칭 손실

pn 접합 다이오드와 SBD의 스위칭 특성으로 순 바이어스 되어 도통 상태에 있는 pn 접합 다이오드의 내부에는 대량의 전자와 홀이 축적되어 있기 때문에, 역방향 바이어스 상태가 되어도 재결합 전류가 소멸할 때까지 시간(역회복 시간)이 필요합니다. 이것이 스위칭 손실이 됩니다.

 

한편, SBD는 유니폴라 디바이스이기 때문에 스위칭 시에는 접합 용량을 방전하는 정도의 작은 전류가 흐를 뿐이며 스위칭 손실은 pn 접합 다이오드보다 훨씬 작아집니다. SBD의 누설 전류나 내압은 pn 접합 다이오드보다 떨어지지만, SBD는 Vf가 낮고 스위칭 손실이 pn 접합 다이오드보다 훨씬 작습니다. 따라서 도통 손실과 스위칭 손실의 저감이 가장 중요한 전력 변환 장치에서는 SBD의 결점을 보완하는 연구와 제품 개발이 계속되고 있습니다.

 

패스트 리커버리 다이오드 (FRD: Fast Recovery Diode)

pn 접합 다이오드의 역회복 시간을 단축하기 위해 '커리어 트랩'을 도입한 '패스트 리커버리 다이오드'로 불리는 pn 접합 다이오드가 있습니다. 이 다이오드에서는 미량의 중금속을 추가하거나 전자선 조사 등의 방법을 이용해 저농도 n형 영역에 캐리어 트랩(불순물이나 결정 결함에 의한 불순물 준위)을 의도적으로 형성합니다.

 

스위칭 시에 p+영역으로 돌아가려고 하는 홀을 잡아, 홀의 라이프 타임을 저감하고 있습니다. 그 결과 역방향 회복 시간은 현저하게 단축되지만, 트랩의 도입에 의해 Vf나 기생 저항이 높아지는 부작용이 있습니다. 그러나 SBD를 사용할 수 없는 고 내압 회로에는 패스트 리커버리 다이오드가 사용되고 있습니다.

 

와이드 밴드갭 반도체를 이용한 SBD

SBD의 뛰어난 주파수 특성을 살려 상온이나 고온에서의 누설 전류를 저감하고, 내압을 비약적으로 향상하기 위해서 실리콘(Si)보다 밴드 갭이 큰 와이드 밴드 갭 반도체(SiC나 GaN 등)의 연구가 활발해졌습니다. 이러한 반도체를 이용한 SBD의 제품이 개발되고 다양한 전자 기기에 탑재되기 시작하였습니다.

SiC의 절연 파괴 전계 강도는 Si의 약 10배나 높기 때문에, SiC제 SBD에서는 Si제 SBD에서는 실현 불가능했던 1200V라고 하는 고 내압 성능이 실증되고 있습니다. 추가적으로 SiC제 SBD에서는 n형 반도체 영역의 두께를 얇게 할 수 있으며, 불순물 농도를 높일 수 있기 때문에 온 저항을 현저하게 저감 할 수 있습니다. SiC의 열전도율은 Si보다 높으므로 냉각 방법도 간소화할 수 있습니다. 이러한 실증 데이터를 기반으로 고 내압용 Si제 패스트 리커버리 다이오드는 SiC제 SBD로 대체되기 시작했습니다.

특히 전기 자동차나 지하철 등에서는 SiC제의 SBD와 전력 MOSFET의 이점이 부각되고, 최근 8인치의 대구경 SiC 기판의 양산을 시작하였습니다. 수요가 급증하고 있어 SiC 기판의 결정 품질이나 디바이스 특성의 향상을 목표로 한 연구 개발이 계속되고 있습니다. 또한 GaN, Ga2O3, C(다이아몬드)를 이용한 디바이스 연구에서도 다양한 구조의 SBD의 프로토타입 평가가 이루어지며 각각의 소재와 디바이스 연구가 진행되고 있습니다.