본문내용
1. 서론
1.1. 기초전자공학 실험의 개요
기초전자공학 실험은 전기전자공학 분야의 핵심 기초 실험 과정이다. 이 실험에서는 전자소자의 특성과 동작 원리를 이해하고, 이를 바탕으로 전자회로를 설계하고 분석하는 능력을 기를 수 있다. 실험 주제에는 다이오드, 저항, 트랜지스터, 임피던스 및 전력 분석 등이 포함되며, 이를 통해 전자회로의 기본적인 동작 원리를 체계적으로 배울 수 있다. 기초전자공학 실험은 전자공학을 전공하는 학생들에게 필수적인 실습 과정이며, 이를 통해 이론과 실습을 균형 있게 익힐 수 있다.
1.2. 실험 목적 및 중요성
기초전자공학 실험의 목적은 실리콘과 게르마늄 다이오드의 특성 곡선을 계산하고, 비교·측정하는 것이다. 또한 다이오드를 포함하는 회로의 직류 응답을 얻기 위해 PSpice를 이용한 OD Sweep 수행과 온도 해석의 Spice 모의실험을 수행하는 것이다. 이를 통해 다이오드의 동작 원리와 특성을 이해하고, 다이오드를 활용한 전자회로 설계 및 분석 능력을 향상시킬 수 있다. 또한 JFET 트랜지스터의 출력 특성, 드레인 특성, 전달 특성을 분석함으로써 JFET의 작동 원리와 특성을 이해할 수 있다. 더불어 교류 회로에서의 임피던스와 전력 개념을 학습하여 실제 전자회로 분석 및 설계 능력을 배양할 수 있다. 이러한 실험을 통해 전자공학 기초 지식과 실험 능력을 향상시켜 공학 문제 해결 역량을 향상시킬 수 있다.
2. 다이오드의 특성
2.1. 다이오드의 동작 원리 및 특성
다이오드는 한쪽 방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자이다. 다이오드는 정류, 발광 등의 특성을 지니고 있으며, 역방향 전류를 막는 성질을 가지고 있다. 다이오드는 n형 반도체와 p형 반도체를 접합하여 만든 반도체 소자이며, 애노드에서 캐소드 방향으로 전류가 흐르고 캐소드에서 애노드 방향으로는 전류가 흐르지 못한다.
다이오드의 동작 상태는 세 가지로 구분할 수 있다. 첫째, 아무 외부 전압도 가하지 않은 상태인 평형 상태 또는 고정 바이어스 상태이다. 둘째, 순방향으로 전압을 인가할 때로 이때에는 p형 부분에 (+) 전압을, n형 부분에 (-) 전압을 걸어주는 경우이다. 셋째, 역방향으로 전압을 인가할 때로 이때에는 n형 부분에 (+) 전압을, p형 부분에 (-) 전압을 걸어주는 경우이다.
순방향 바이어스 상태에서는 pn 접합부의 공핍층 전압이 작아져 전류가 증가하게 된다. 반면 역방향 바이어스 상태에서는 전자와 정공이 각각 단자 쪽으로 끌어당겨져 공핍층이 확장되어 전류는 거의 흐르지 않는다. 다이오드 특성곡선에서 순방향 바이어스 상태 부분은 수직 상승 영역이 나타나며, 역방향 바이어스 상태에서는 거의 수평선을 그리며 전류가 흐르지 않는다. 이러한 다이오드의 특성을 이용하여 정류, 발광 등의 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다.
2.2. 순방향 및 역방향 바이어스 특성 분석
다이오드의 동작 상태를 파악하기 위해 대부분의 디지털 멀티미터를 사용할 수 있다. 순방향과 역방향 바이어스 영역에서 다이오드의 상태를 파악할 수 있는 단자(scale)가 멀티미터에 다이오드 기호로 표시되어 있다. 순방향 바이어스 상태로 연결되어 있다면, 멀티미터는 약 2mA 전류에서 다이오드 양단의 순방향 전압을 나타낼 것이다. 역방향 바이어스 상태로 연결되어 있다면, 이 영역에서는 보통 개방회로로 고려되며 그것을 입증하는 'OL' 표시가 화면에 나타날 것이다. 만약 미터가 다이오드 검사 기능을 갖추고 있지 않다면, 순방향과 역방향 영역에서 저항값을 측정함으로써 다이오드 상태를 점검할 수 있다. 다이오드를 검사하는 이러한 두 가지 방법을 실험 앞부분에서 다룰 것이다.
특성곡선의 어떤 점에서 다이오드의 DC 또는 정저항(static resistance)은 RDC = VD / ID 와 같이 그 점에서 다이오드 전압과 다이오드 전류의 비로써 계산된다. 특정한 다이오드 전류 또는 전압에서 AC의 저항은 그림 2-2에 보여주듯이 접선을 이용하여 구할 수 있다. 결과적인 전압(?V)과 전류(?I) 변화량을 측정하고 다음 식을 적용한다. rd = ?V / ?I 특성곡선의 수직 상승 영역에서 미분을 적용하면 다이오드의 AC 저항이 다음과 같이 주어짐을 볼 수 있다. rd = ?V / ?I = 26mV / ID 곡선의 무릎 부분(knee) 이하의 전류 레벨에서 다이오드의 AC 저항은 다음의 식으로...
