다이오드란? PN 접합은 왜 전류를 한 방향으로만 흘려보낼까

다이오드(diode)는 전류를 대체로 한 방향으로만 흐르게 하는 소자다. 한쪽에서 밀면 전류가 통하고, 반대쪽에서 밀면 거의 통하지 않는다. 그 핵심은 PN 접합, 즉 p형과 n형 두 가지 반도체가 맞닿은 경계다. 교류를 직류로 바꾸는 일, 발광 다이오드(LED), 태양전지, 칩 핀 옆의 정전기 보호가 모두 이 경계를 이용한다.

다이오드란? 왜 ‘대체로’라고 할까?

다이오드의 단자는 두 개뿐이다. p형 쪽을 애노드(anode), n형 쪽을 캐소드(cathode)라고 한다. 회로도에서는 삼각형이 짧은 막대에 맞닿은 모양으로 그리며, 삼각형의 꼭짓점이 가리키는 쪽이 전류가 통하는 방향이다.

흔히 쓰는 비유는 수도관의 체크 밸브(역지 밸브)다. 정방향으로 밀면 밸브가 열리고, 역방향으로 밀면 밸브가 닫힌다. ‘대체로’라고 하는 데는 세 가지 이유가 있다. 정방향이라도 먼저 문턱을 넘어야 하고, 역방향이라도 극히 적은 전류는 새며, 역방향으로 너무 세게 밀면 더는 막지 못한다.

PN 접합이란? 경계에 왜 빈 구간이 생길까?

먼저 정리해 두자. n형은 실리콘 안에 움직일 수 있는 전자가 많은 상태이고, p형은 빈자리가 많은 상태다. 이 빈자리를 정공(hole)이라 하며, 움직이는 양전하로 생각할 수 있다. 어느 쪽도 전체로는 전기를 띠지 않는다(처음부터 자세히 다룬 글은 ‘도핑이란?’ 참고). 둘을 맞붙이면 경계 근처에서 다음 일이 차례로 일어난다.

1. 적은 쪽으로 퍼진다: n 쪽에 전자가 많으므로 전자는 p 쪽으로 퍼져 나가고, 정공은 반대로 n 쪽으로 퍼진다. 물에 떨어뜨린 잉크가 진한 곳에서 옅은 곳으로 퍼지는 것과 같으며, 이를 확산이라고 한다.
2. 만나면 서로 상쇄된다: 전자가 정공을 만나면 빈자리를 채우고, 둘 다 더는 움직이지 못한다.
3. 움직이지 못하는 전하가 남는다: 도핑한 원자는 실리콘 결정 속에 고정되어 있다. 경계에 가까운 n 쪽에서는 인 원자가 여분의 전자를 내주어 양전하를 띠고, p 쪽에서는 붕소 원자가 전자를 하나 더 받아 음전하를 띤다. 양과 음 사이에 전계가 생겨, 뒤이어 건너가려는 전자를 밀어낸다.
4. 균형을 이루고 멈춘다: 퍼지려는 힘과 밀어내는 힘이 맞먹게 된다. 경계 양쪽에는 움직일 수 있는 전자와 정공이 거의 없는 구간이 남는데, 이를 공핍층(depletion region)이라고 한다.

공핍층은 경계에 놓인 비탈로 생각하면 된다. 전자는 늘 제멋대로 움직이고 있으며, 비탈을 올라 건너편까지 가는 것은 에너지가 큰 일부뿐이다. 비탈이 높을수록 넘어가는 전자는 줄어든다.

정방향으로 연결하면, 역방향으로 연결하면 어떻게 될까?

양 끝에 전지를 연결하면 이 비탈이 낮아지거나 높아진다.

• 순방향 바이어스(p 쪽을 +극, n 쪽을 -극에 연결): 전자와 정공이 모두 경계 쪽으로 밀려 공핍층이 좁아지고 비탈이 낮아져, 넘어가는 전자가 단숨에 크게 늘어난다. 실리콘 다이오드는 1V가 안 되는 전압에서 전류가 눈에 띄게 흐르기 시작한다. 이 문턱을 넘으면 전압이 조금만 올라도 전류가 크게 늘어난다.
• 역방향 바이어스(p 쪽을 -극, n 쪽을 +극에 연결): 전자와 정공이 경계에서 멀어져 공핍층이 넓어지고 비탈이 높아지며, 극히 적은 전류만 샌다.
• 역방향으로 너무 세게 밀면 항복이 일어난다: 전류가 갑자기 커지고, 일반 다이오드는 열로 망가질 수 있다.

다이오드는 어디에 쓸까?

정류: 교류를 직류로 바꾸는 첫 단계

콘센트의 교류는 전류가 1초에 50~60번 오간다. 그러나 휴대폰이나 컴퓨터 속 회로에 필요한 것은 방향이 바뀌지 않는 직류다. 정류는 다음 순서로 이루어진다.

1. 다이오드 하나로 반대 방향 절반을 막는다: 막지 않으면 전류가 이쪽저쪽으로 바뀌어 직류가 필요한 회로에서는 쓸 수 없다. 다만 절반만 남아 전류가 띄엄띄엄 흐른다.
2. 네 개를 고리처럼 배열한다(브리지 정류): 전류가 한쪽으로 흐를 때는 그중 두 개를, 반대쪽으로 흐를 때는 나머지 두 개를 지나, 둘 다 같은 방향으로 나간다. 이렇게 하지 않으면 절반의 시간 동안 전기를 보내지 못한다.
3. 커패시터를 달아 출렁임을 고른다: 커패시터는 작은 물탱크처럼 전압이 높을 때 채우고 낮을 때 내보낸다. 달지 않으면 전압이 오르내려 뒤쪽 회로가 불안정해진다.

그 뒤에도 휴대폰에 필요한 몇 V까지 전압을 낮춰야 한다. 이 부분은 ‘전력 반도체란?’에서 다룬다.

보호: 거꾸로 연결된 전기를 막고, 갑자기 들어온 전기를 빼낸다

• 역접속 보호: 전원 뒤에 다이오드를 직렬로 넣어 두면, 전지를 거꾸로 끼웠을 때 역방향이 되어 전류를 막으므로 부품이 타지 않는다. 대신 평소에는 다이오드 자체가 1V가 안 되는 전압을 잡아먹는다.
• 칩 핀 옆의 정전기 보호: 흔한 방법의 하나는 핀 옆에 다이오드 두 개를 두고, 하나는 전원선에, 하나는 접지선에 연결하는 것이다. 평소에는 핀 전압이 그 둘 사이에 있어 두 다이오드가 모두 역방향이므로 신호에 영향을 주지 않는다. 전원보다 높거나 접지보다 낮은 전압이 갑자기 들어오면, 그중 하나가 순방향이 되어 전기를 빼낸다(칩이 왜 정전기에 약한지는 ‘정전기 방전(ESD)이란?’ 참고).

발광 다이오드(LED): 전자와 정공이 만나면 빛이 난다

순방향으로 밀면 경계 근처에서 전자와 정공이 대량으로 만나 상쇄되고, 한 쌍이 상쇄될 때마다 약간의 에너지가 나온다. 실리콘에서는 이 에너지가 대부분 열이 되지만, 일부 화합물 반도체에서는 빛으로 나온다. 빛의 색은 재료의 밴드갭, 즉 전자가 뛰어올라야 하는 계단의 높이로 정해지며, 계단이 높을수록 푸른빛에 가까워진다(“뉴스에 나오는 ‘3세대 반도체’란?” 참고).

광 검출기와 태양전지: 빛을 전기로 바꾼다

거꾸로, 경계 근처에 빛이 들어오면 묶여 있던 전자 하나가 튀어나오고 그 자리에 정공 하나가 남는다. 공핍층 안에 원래 있는 전계가 전자를 n 쪽으로, 정공을 p 쪽으로 밀어 나눈다. 나뉘지 않으면 금세 다시 상쇄되어 버린다. 양쪽에 각각 전하가 조금씩 쌓이고, 바깥에 선을 연결하면 전류가 흐른다.

광 검출기(포토다이오드라고도 한다)에는 보통 역방향 전압을 걸어 두고, 흐르는 전류의 크기로 빛의 세기를 잰다. “뉴스에 나오는 ‘실리콘 포토닉스’란?”에 나오는, 빛을 다시 전기로 바꾸는 부품이 하는 일이 바로 이것이다. 태양전지는 전압을 걸지 않고 빛을 그대로 전기로 바꿔 내보내며, 면적이 아주 큰 포토다이오드로 생각할 수 있다.

트랜지스터 안에도 PN 접합이 있을까?

있다. 그것도 곳곳에 있다. 흔한 종류의 트랜지스터는 소스와 드레인이 n형이고 그 아래 큰 덩어리가 p형이어서, 양 끝과 아래 실리콘 사이가 각각 PN 접합이다. 이런 영역은 팹에서 주로 이온 주입으로 만든다. 회로는 이 접합들이 순방향이 되지 않도록 연결되어 있어, 게이트에 전압이 걸리지 않은 동안에는 전류가 통하지 않는다. 게이트가 어떻게 스위치를 켜는지는 ‘트랜지스터란?’ 참고.

칩은 PN 접합으로 어떻게 분리할까?

CMOS 칩에는 같은 실리콘 위에 p형과 n형 두 가지 ‘바닥’이 필요하며, 이를 웰이라고 한다(‘CMOS란?’ 참고). p형 바닥은 가장 낮은 전압(접지)에, n형 웰은 가장 높은 전압(전원)에 연결하므로, 그 사이의 PN 접합은 늘 역방향이다. 공핍층이 벽처럼 영역들을 갈라놓는다. 트랜지스터와 트랜지스터 사이의 표면은 따로 얕은 트렌치를 파고 절연물로 채워 분리한다(‘STI(얕은 트렌치 소자 분리)란?’ 참고).

fab24hr에서는

fab24hr에는 단독 다이오드가 없다. 가장 가까운 것은 대화 속에서 누를 수 있는 ‘접합’이다. 실리콘에 주입한 원자가 모여 있는 층과 그 아래 실리콘 사이의 경계를 말한다. 주입한 원자와 아래 실리콘이 서로 반대 종류라면, 이 경계가 곧 PN 접합이다.

‘직장인의 하루’에서 R&D 라인의 퍼니스 개발 공정 엔지니어가 되어 보자. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 공정 엔지니어를 찾은 다음 이름 아래의 ‘퍼니스’를 누른다. 오후 근무는 웨이퍼 투입 후 10일째다. 이온 주입을 마친 테스트 웨이퍼를 세 가지 조건으로 어닐링했고, 샤오원이 두 가지를 쟀다. 면저항으로는 원자가 전기를 통하기 시작했는지, 접합 깊이로는 원자가 아래로 얼마나 깊이 퍼졌는지 본다. 온도가 높고 시간이 길수록 활성화는 잘 되지만, 원자도 더 멀리 퍼진다. 이것이 열 예산이다. 게임 속 설명은 이렇다. “Glowmere는 전압이 아주 낮다. 접합이 너무 깊으면 짧은 트랜지스터가 꽉 꺼지지 않아, 대기 중에 누설 전류가 생긴다.” 중간 온도로 할지, 양산 팹과 같은 고온·장시간으로 할지 고른다. 고온 쪽을 고르면, 조금 뒤 샤오원이 단채널 테스트 구조도 추가로 재는데, 누설 전류가 예상보다 많다.

게임 속 회사, 칩 ‘Glowmere’, 인물, 장비, 수치는 모두 가상이다. PN 접합과 다이오드의 원리는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.