본문내용
1. 반도체 및 전자소자
1.1. 반도체의 정의와 특성
반도체는 전기전도도가 전자와 정공에 의해 이루어지는 물질로서, 그의 전기저항률 즉 비저항이 도체와 절연체 비저항의 중간 값을 취하는 물질이다. 반도체는 불순물 포함 여부에 따라 진성 반도체와 불순물 반도체(P형 반도체 or N형 반도체)로 나뉘어진다.
진성 반도체는 도체와 부도체 사이의 중간적 성질을 갖는 물질로서 최외각에 4개의 가전자를 갖는 4가 원소들이다. 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)과 같은 순도가 매우 높은 반도체를 진성 반도체라 한다. 진성 반도체는 평상시에 부도체와 같이 전자의 이동이 어려우나 전기, 빛, 열 등의 자극을 받으면 공유결합을 하고 있던 소수의 전자가 튀어나와 자유전자가 되어 전류를 흐르게 한다.
P형 반도체는 전기전도 현상을 지배하는 다수 캐리어가 정공인 불순물 반도체이다. P형 반도체(Positive Semiconductor)는 진성 반도체에 3가 원소(B: 붕소, In: 인듐, Ga: 갈륨)의 불순물을 첨가하여 정공(hole)의 수를 증가시킨 반도체를 말한다. 이를 도핑(Doping)이라고 한다. P형 반도체에서 첨가해주는 불순물을 acceptor 라고 한다.
N형 반도체는 전기전도 현상을 지배하는 다수 캐리어가 전자인 불순물 반도체이다. N형 반도체는 진성 반도체에 5가 원소(As: 비소, P: 인, Sb: 안티몬)를 첨가하여 전자가 과잉되는 불순물 반도체를 말한다. 5가의 불순물 원자는 주변의 규소원자와 공유결합을 하고 남게 되는 1개의 전자를 방출하고, 이것이 자유전자가 된다. 반도체전자를 잃고 이온화된 불순물 원자를 donor 라고 한다.
이와 같이 반도체는 불순물의 영향에 의해 전기적인 특성이 변하는데 불순물 반도체는 진성반도체보다 전도성이 높아 반도체 소자로 많이 사용된다.
1.2. 진성 반도체와 불순물 반도체
진성 반도체란 순도가 매우 높은 반도체 물질로, 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)과 같은 4가 원소로 이루어져 있다. 평상시에는 부도체와 같이 전자의 이동이 어렵지만, 전기, 빛, 열 등의 자극을 받으면 공유결합을 하고 있던 소수의 전자가 튀어나와 자유전자가 되어 전류를 흐르게 한다. 따라서 진성 반도체는 자신의 결정 구조 내에 포함된 원자들의 전자로만 전기전도가 이루어지는 특성을 가지고 있다.
반면, 불순물 반도체는 진성 반도체에 다른 원소를 인위적으로 첨가하여 전기적 특성을 변화시킨 반도체를 말한다. 불순물 반도체에는 p형 반도체와 n형 반도체가 있다. p형 반도체는 진성 반도체에 3가 원소인 붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 첨가하여 정공(hole)의 수를 증가시킨 것이다. 이때 불순물을 첨가하는 과정을 도핑(doping)이라고 한다. p형 반도체에서 첨가해주는 불순물을 acceptor라고 한다. n형 반도체는 진성 반도체에 5가 원소인 비소(As), 인(P), 안티몬(Sb) 등의 불순물을 첨가하여 전자가 과잉되도록 만든 것이다. 5가의 불순물 원자는 주변의 실리콘 원자와 공유결합을 하고 남게 되는 1개의 전자를 방출하게 되며, 이것이 자유전자가 된다. 반도체 전자를 잃고 이온화된 불순물 원자를 donor라고 한다.
불순물 반도체는 진성 반도체보다 전기전도도가 높기 때문에 반도체 소자로 널리 사용된다. 진성 반도체는 전기, 빛, 열 등의 자극이 없으면 전류가 거의 흐르지 않지만, 불순물 반도체는 불순물의 영향으로 인해 전기적 특성이 크게 변하여 전류가 잘 흐르는 특성을 가지고 있다. 따라서 실제로 사용되는 대부분의 반도체 소자들은 불순물 반도체로 만들어진다.진성 반도체와 불순물 반도체의 차이점을 정리하면 다음과 같다. 진성 반도체는 불순물이 포함되지 않은 순수한 반도체 물질로, 전기전도도가 낮다. 반면 불순물 반도체는 진성 반도체에 불순물을 인위적으로 첨가하여 전기적 특성을 변화시킨 것으로, 전기전도도가 높다. 불순물 반도체에는 p형과 n형이 있는데, p형은 정공이 다수 캐리어이고 n형은 전자가 다수 캐리어이다. 이처럼 불순물 반도체는 진성 반도체에 비해 전기적 특성이 크게 향상되어 실제 반도체 소자에 널리 사용되고 있다.
1.3. p-n 접합의 원리
p-n 접합의 원리는 다음과 같다.
p형 반도체와 n형 반도체를 접합시키면 접합부에서 각각의 다수 캐리어인 정공과 전자의 확산이 일어나 서로 중화되어 공핍층(depletion region)이 형성된다. 공핍층에서 n형 반도체 쪽은 donor 원자가 양(+)이온으로, p형 반도체 쪽은 acceptor 원자가 음(-)이온으로 대전되어 내장전위(built-in potential)가 형성된다.
공핍층이 어느 정도까지 확장되면, 공핍층 내의 이온으로 인해 생겨난 전기장(Electric Field)의 세기가 점점 커져 확산에 의한 다수 캐리어의 이동과 공핍층 전기장에 의한 소수 캐리어의 드리프트 사이에 평형상태를 이루게 된다. 결국 공핍층이 확산중지되고 평형상태를 유지하게 된다.
이와 같이 p-n 접합부에는 공핍층이 형성되어 내장전위가 발생하게 되는데, 이때 공핍층 양단에 p형 쪽이 (-), n형 쪽이 (+)인 전위차가 발생하게 되며 이것을 내장전위(=장벽전위)라고 한다. p-n junction에 드리프트 전류가 흐르기 위해서는 최소한 이 이상의 전압이 p형에 (+), n형에 (-)로 가해져야 하는데 이것을 Threshold, Offset, Cutin, Firing 전압이라고 한다.""
1.4. 다이오드의 특성
1.4.1. 순방향 바이어스와 역방향 바이어스
p형 반도체와 n형 반도체를 p-n 접합하면, 접합면에서 각 반도체의 다수 캐리어인 정공과 전자가 확산되어 공핍층이 생성된다. 이때 n형 반도체 쪽은 양(+)이온으로, p형 반도체 쪽은 음(-)이온으로 대전된 내장전위(built-in potential)가 형성된다. 이 내장전위는 전류가 p-n 접합을 통해 흐르기 위해서는 반드시 극복해야 하는 장벽 전압이 된다.
p-n 접합에 순방향 전압이 인가되는 경우, 즉 p형 반도체에 양(+)의 전압, n형 반도체에 음(-)의 전압이 가해지면 공핍층의 전기장이 약화되어 공핍층은 좁아지게 된다. 이로 인해 내장전위가 낮아지면서 정공과 전자의 확산 전류가 증가하게 되어 전류가 흐르게 된다. 이처럼 순방향 바이어스에서는 다수 캐리어의 확산 전류에 의해 전류가 흐르게 된다.
반면 p-n 접합에 역방향 전압이 인가되는 경우, 즉 p형 반도체에 음(-)의 전압, n형 반도체에 양(+)의 전압이 가해지면 공핍층의 전기장이 강화되어 공핍층은 더욱 넓어지게 된다. 이로 인해 내장전위가 높아져 정공과 전자의 확산 전류는 감소하게 된다. 대신 소수 캐리어의 드리프트 전류에 의해 약간의 역방향 전류가 흐르게 된다. 이때 역방향 전압을 지속적으로 높이면 궁극적으로는 눈사태 항복(Avalanche Breakdown) 현상이 일어나 대전류가 흐르게 된다.
즉, 순방향 바이어스에서는 다수 캐리어의 확산 전류에 의해 전류가 흐르지만, ...
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