순방향 바이어스와 역방향 바이어스의 중요한 차이점 중 하나는 순방향 바이어스에서 배터리의 양극 단자가 p형 반도체 재료에 연결되고 음극 단자가 n형 반도체 재료와 연결된다는 것입니다. 역방향 바이어스에서 n형 재료는 전압 공급 장치의 양극 단자와 조인트를 가지며 p형 재료는 배터리의 음극 단자에 결합됩니다.
바이어스는 전위차 또는 전기 공급이 반도체 장치에 연결되어 있음을 나타냅니다. 전위차에는 순방향 바이어스와 역방향 바이어스로 알려진 두 가지 유형이 있습니다. 순방향 바이어스는 다이오드의 전위 장벽을 극복하고 전류 흐름에 대한 쉬운 경로를 찾습니다. 반면에, 역 바이어스에서는 전위차가 장벽의 강도를 증가시켜 전하 캐리어가 접합부를 가로질러 흐르는 것을 제한합니다. 역 바이어스는 전류 흐름에 대한 높은 저항 경로를 제공하므로 회로를 통해 전류가 흐르지 않습니다.
1. 다이오드의 작동 원리
다이오드가 작동하는 방식은 전하("정공"이라고 함)와 음전하(전자)의 흐름을 보고 다이오드의 작동을 이해할 수 있습니다. 기술적으로 반도체 다이오드는 pn 접합으로 도입됩니다. 이러한 pn 접합이 필요하며 광전지의 작동에도 중요한 역할을 합니다. 적절한 작동 다이오드를 갖기 위해서는 도핑으로 알려진 프로세스가 필요합니다.
반도체 재료는 변위된 전자(종종 음극 또는 n형 영역이라고 함)를 과도하게 갖기 위해 다른 물질로 도핑될 수 있습니다. 또한 이러한 전자를 흡수하는 과도한 정공을 형성하는 원소(종종 양극 또는 p형 영역이라고 함)로 도핑될 수 있습니다. 다이오드의 음극 영역과 양극 영역은 각각 구성 요소의 음극과 양극이기도 합니다.
이 두 재료 사이의 서로 다른 특성과 매우 짧은 거리(밀리미터 미만)에서의 상호 작용은 두 재료가 결합될 때 다이오드를 만듭니다. 이 두 종류를 결합하면 pn 접합이 형성되고 두 당사자 사이의 영역을 공핍 영역이라고 합니다. n형 영역의 전자는 확산되고 p형 영역의 일부 정공을 중화합니다.
이제 p형 영역에 음이온이 있고 그림과 같이 n형 영역에서 양이온을 만듭니다. 전기장에 대한 반응은 전기장의 방향에 따라 다릅니다. 논의된 모든 프로세스는 전압 또는 전기장이 사용되는 방식에 따라 유용한 전자 동작으로 이어지며 모두 바이어스라고 합니다.
여기에 검은색 원은 쉽게 변위된 전자이고 흰색 원은 전자 결핍 "정공"인 역 바이어스 pn 접합이 있습니다. 이와 같은 역 바이어스에서는 전자가 검은색 원에서 벗어나 외부 회로를 향해 흐르고 더 많은 양이온이 남았을 것입니다. 외부 회로의 전자는 정공을 채우고 더 많은 음이온을 생성합니다.
2. 순방향 전압 및 항복 전압이란 ?
공핍 영역을 극복하려면 최소 임계 전압이 필요하며, 이는 대부분의 실리콘 다이오드에서 0.7V입니다. 또한 역 바이어스 전압은 누설 전류라는 다이오드를 통해 소량의 전류를 가지며 이는 대부분의 경우 실제로 무시할 수 있습니다. 마지막으로, 충분히 상당한 역전압은 다이오드의 완전한 전자 고장을 초래하고 전류가 역방향으로 다이오드를 통과할 수 있도록 합니다.
전자 제품에서 바이어스는 기본적으로 다이오드를 언급할 때 특정 방향으로 흐르는 방향 또는 능력을 의미합니다. 또한 전자 소자 내에서 적절한 작동 조건을 설정하기 위해 전자 회로의 여러 지점에서 전압 또는 전류 세트를 설정하는 방법론으로 전자 영역 내의 바이어스 또는 바이어스를 설명합니다. 바이어싱은 또한 회로 설계자에게 다이오드의 기능에 대한 최적의 제어를 제공합니다.
3. 순방향 바이어스란?
순방향 바이어스에서는 외부 전압 공급이 PN 접합 다이오드에 적용됩니다. 이 전압은 전위 장벽을 차단하고 전류 흐름에 대한 낮은 저항 방식을 제공합니다. 순방향 바이어스의 의미는 양극 영역을 전원의 p-단자에 연결하고 음극 영역은 장치의 n-유형에 연결하는 것입니다.
전위 배리어 전압은 아주 작은 값(게르마늄의 경우 약 0.3V, 실리콘 접합의 경우 0.7V)을 가지므로 배리어 전위를 완전히 제거하는 데 필요한 전압은 거의 없습니다. 장벽을 완전히 제거하면 전류 흐름에 대한 낮은 저항 경로가 생성됩니다. 따라서 전류가 접합부로 흐르기 시작합니다. 이 전류를 순방향 전류라고 합니다.
4. 역방향 바이어스란?
역 바이어스에서는 배터리의 음극 영역과 양극 단자 사이에 연결이 있고 양극 영역은 음극 단자에 연결됩니다. 역 전위는 이 상황에서 전위 장벽의 강도를 높입니다. 전위 장벽은 접합부를 가로지르는 전하 캐리어 흐름에 저항합니다. 회로에 전류가 흐르지 않는 높은 저항 경로를 구축합니다.
5. 순방향 바이어스와 역방향 바이어스의 차이점?
- 순방향 바이어스는 전위 장벽의 강도를 감소시키며, 그 결과 전류는 접합부를 가로질러 쉽게 이동합니다. 반면 역 바이어스는 잠재적 장벽을 증가시키고 전하 캐리어의 흐름을 방지합니다.
- 순방향 바이어스에서는 양극 단자와 배터리를 p-영역에 연결합니다. 또한 음극 단자는 n형 반도체 재료에 연결됩니다. 역 바이어스에서 공급 장치의 양극 단자는 n 형 재료에 연결되고 음극 단자는 장치의 p 형 반도체 재료에 연결됩니다.
- 순방향 바이어스는 전위를 가로질러 전기장을 만들어 전위 장벽의 강도를 감소시키는 반면 역 바이어스는 전위 장벽의 강도를 향상시킵니다. (전위 장벽은 접합부를 가로지르는 전자의 이동을 제한하며 PN 접합 다이오드 사이의 층입니다.)
- 순방향 바이어스에서 양극의 전압은 음극보다 높은 반면 역 바이어스에서는 음극의 전압이 양극보다 큽니다.
- 순방향 바이어스는 순방향 전류가 큰 반면 역 바이어스는 순방향 전류가 작습니다. (다이오드의 순방향 전류를 순방향 전류라고 합니다.)
- 다이오드의 공핍층은 역방향 바이어스에서 두껍고 순방향 바이어스에서 매우 얇습니다. (공핍층은 접합부 주변 영역이며, 자유 전하 캐리어는 고갈됩니다.)
- 순방향 바이어스는 다이오드의 저항을 감소시키는 반면, 역방향 바이어스는 다이오드의 저항을 향상시킵니다.
- 전류는 순방향 바이어스에서 회로를 통해 쉽게 흐르는 반면 역 바이어스는 전류가 회로를 통해 흐르는 것을 허용하지 않습니다.
- 순방향 바이어스에서 전류 값은 순방향 전압을 기반으로 하는 반면, 역 바이어스에서는 전류의 크기가 작거나 무시할 수 있습니다.
- 순방향 바이어스에서 장치는 도체로 작동하는 반면 역 바이어스에서는 장치가 절연체로 작동합니다.
6. 순방향 및 역방향 바이어스의 이해
다이오드는 2단자 반도체 장치입니다. 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하는 전자 밸브와 동일한 것입니다.
다이오드의 기호는 아래 그림에 나와 있습니다. 기호는 흐를 수 있는 전류의 방향을 나타내는 화살표 모양입니다. 양수 부호가 있는 단자를 양극이라고 하고 음수 부호가 있는 단자를 음극이라고 합니다. 그림은 물리적 장치를 보여줍니다. 한쪽 끝에 단일 밴드가 있다는 점을 제외하고는 저항기처럼 보입니다. 순방향 바이어스 다이오드에서 전류는 밴드가 없는 끝에서 실린더 끝까지 흐릅니다.
전압 V가 양수이고 최소 임계 전압 Vt보다 크면 다이오드가 순방향 바이어스라고 합니다. 순방향 바이어스 다이오드는 그림에 표시된 방향으로 전류를 전도합니다. 다이오드 순방향 바이어스가 아닌 이 경우 역방향 바이어스라고 합니다. 역 바이어스 다이오드는 또한 그림에 표시된 것과 반대되는 의미의 전류를 전도합니다.
그러나 이 역전류는 매우 작기 때문에 순방향 바이어스 다이오드는 전도성으로 간주되는 반면 역 바이어스 다이오드는 전도되지 않는 것으로 알려져 있습니다. 저항과 함께 사용되기 때문에 다이오드는 전류와 전압 사이의 관계를 모두 알면 완전히 특성화됩니다. 다이오드의 IV 특성은 다음 방정식으로 찾을 수 있습니다.
여기서 q는 전자의 전하이고, k는 다음과 같은 볼츠만 상수입니다. 1.381×10^−28𝐽/𝐾, T는 재료의 온도(켈빈)입니다. 보통 기준전류 Io는 10^-9 암페어 또는 10^-15 암페어 정도로 매우 작다. 제시된 함수를 그림에 표시하면 그림의 그래프에 주어진 IV 특성이 됩니다. 이 그래프는 전압에 따라 전류가 어떻게 변하는가를 보여주는 V-I 곡선입니다.
IV 특성의 다이어그램에는 세 개의 개별 작동 영역이 있습니다. 순방향 바이어스 영역은 지정된 임계값보다 큰 양의 전압과 관련이 있습니다. 임계값인 VT는 반도체 물질의 물리적 특성에 따라 달라집니다. 임계값 전압의 일반적인 값은 0.6에서 1.4V 사이입니다. 이 임계값보다 낮은 전압의 경우 다이오드가 전도를 중지합니다. Io 정도의 전류가 약간 누출되는데이 전류 값은 최소입니다. 전압을 더 낮추면 고장 영역으로 정의된 다른 작동 영역으로 들어갑니다.
일반적으로 우리는 다이오드를 역방향 또는 순방향 바이어스 모드로 사용합니다. 특히 이 동작을 단순화한 다음 전압이 임계 전압 V보다 크고 전압이 낮으면 닫힌 다이오드를 개방 밸브로 간주할 수 있습니다. 이러한 고려 사항으로 인해 아래 그림에 표시된 임계값 V가 0인 I-V 특성 다이어그램이 단순화됩니다. 이 이상화된 그림에서 우리는 역 바이어스 영역이 단순화되어 𝑣 < 𝑉𝑇면 이 영역에서 전류가 0이 되도록 할 수 있습니다.
순방향 바이어스 다이오드가 있다면 전류는 아마도 무한대일 것이고, 이것은 다이오드가 단락으로 작동한다는 것을 나타냅니다. 즉, 순방향 바이어스 다이오드는 단락과 동일하게 작동하고 역방향 바이어스 다이오드는 개방 회로와 동일하게 작동합니다.
6. 발광 다이오드 바이어스 타입이란?
LED는 발광 다이오드입니다. LED는 순방향 바이어스 측면에서 빛을 방출하고 역 바이어스될 때마다 빛이 없습니다. 방출되는 빛의 강도는 장치에 흐르는 전류의 제곱과 같습니다.
아래 그림은 LED 그림을 보여줍니다. 다른 다이오드와 마찬가지로 이 LED에는 두 개의 헤드가 있으며 하나의 리드가 다른 리드보다 깁니다. 다이오드의 어느 쪽 끝이 양극(양극)이고 어떤 쪽이 음극(음극)인지 나타내기 위해 이 형식으로 표시됩니다. 더 긴 리드는 다양한 유형에서 양극이지만 LED를 배터리와 동일한 전압 공급 장치에 연결하고 어떤 조정으로 인해 LED가 빛을 방출하는지 알면 이를 빠르게 테스트할 수 있습니다.
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