11장장 반도체와반도체와 다이오드다이오드 특성특성11장장 반도체와반도체와 다이오드다이오드 특성특성

11--11 반도체와반도체와 원자구조원자구조11 1 1 반도체와반도체와 원자구조원자구조

원자원자구조구조원자원자 구조구조

핵을핵을 중심으로중심으로 전자가전자가 일정한일정한 궤도궤도(orbit)(orbit)를를 따라서따라서 이동이동 –– bohrbohr의의 원자원자모델모델모델모델

핵은핵은 ++전하를전하를 갖고갖고 있으므로있으므로 –– 전하를전하를 갖고갖고 있는있는 전자를전자를 끌어당기는끌어당기는 인력인력

전자는전자는 안정된안정된 궤도를궤도를 유지하면서유지하면서 회전운동을회전운동을 하기위해서하기위해서 인력과인력과 원심력원심력전자는전자는 안정된안정된 궤도를궤도를 유지하면서유지하면서 회전운동을회전운동을 하기위해서하기위해서 인력과인력과 원심력원심력이이 균형을균형을 이루도록이루도록 일정한일정한 속도를속도를 유지한유지한 채채 운동운동..

결정의결정의결합결합결정의결정의결합결합

원자나원자나 분자들은분자들은 상호간의상호간의 결합력에결합력에 의해서의해서 규칙적으로규칙적으로 배열되어배열되어 있는있는원자구조원자구조..

실리콘실리콘(Si)(Si)원자는원자는 화학적으로화학적으로 안정되기안정되기 위해서위해서 최외각궤도에최외각궤도에 88개의개의 전전자가필요자가필요, , 실질적으로실질적으로 44개의개의 전자전자 다른다른 원자와원자와 공유결합공유결합

공유공유 결합결합-- 원자와원자와 원자사이의원자사이의 작용작용하는하는 힘힘..

한한 개의개의 실리콘실리콘 원자는원자는 다른다른 44개의개의실리콘원자에실리콘원자에 의해서의해서 둘러싸여둘러싸여 있고있고인접한인접한 원자와원자와 전자를전자를 공유공유인접한인접한 원자와원자와 전자를전자를 공유공유..

중심부에중심부에 있는있는 실리콘원자는실리콘원자는 인접한인접한실리콘원자로부터실리콘원자로부터 44개의개의 전자를전자를 취하취하실리콘원자로부터실리콘원자로부터 44개의개의 전자를전자를 취하취하게게 되어되어 최외각최외각 궤도에궤도에 88개의개의 전자를전자를갖게갖게 된다된다..

진성진성 반도체반도체 –– 전기적전기적 성질이성질이 순수한순수한 반도체반도체, , 불순물불순물 포함포함

불순물불순물 반도체반도체 –– 가전자가전자 33개를개를 가지고가지고 있는있는 33가원소나가원소나 가전자를가전자를 55개개를를 가지고가지고 있는있는 55가원소를가원소를 혼입혼입..

NN형형 반도체반도체NN형형 반도체반도체

SiSi나나 GG 의의 순수한순수한 단결정에단결정에 원자가가원자가가 55가인가인 불순물을불순물을 P A (P A (비소비소))SiSi나나 GeGe의의 순수한순수한 단결정에단결정에 원자가가원자가가 55가인가인 불순물을불순물을 P,As(P,As(비소비소),),SbSb((안티몬안티몬))등을등을 넣은넣은 것이것이 NN형형 반도체반도체 이와이와 같이같이 반도체에반도체에 불순물불순물을을 첨가하는첨가하는 것을것을 도핑이라고도핑이라고 한다한다..

55가가 원소는원소는 44개의개의 실리콘실리콘 원자와원자와 공유결합공유결합, , 한한 개의개의 전자가전자가 남는다남는다

다수다수 캐리어캐리어 –– 전자전자..

PP형형 반도체반도체PP형형 반도체반도체

SiSi에에 33가원소인가원소인 B,Al,Ga,InB,Al,Ga,In등의등의 불순물을불순물을 넣어서넣어서 만든만든 반도체반도체

정공정공 외부로부터외부로부터 가해진가해진 에너지가에너지가 가전자를가전자를 더더 높은높은 에너지준위로에너지준위로정공정공 –– 외부로부터외부로부터 가해진가해진 에너지가에너지가 가전자를가전자를 더더 높은높은 에너지준위로에너지준위로이동이동 시킬시킬 때때 가전자가가전자가 뛰어나간뛰어나간 빈자리가빈자리가 최외각최외각 궤도에궤도에 생기게된생기게된다다. . 그때의그때의 빈자리를빈자리를 정공이라정공이라 한다한다..

다수다수 캐리어캐리어 –– 정공정공

정공은정공은 (+)(+)의의 전하로전하로 생각할생각할수수 있기있기 때문에때문에 이러한이러한 방법으방법으로로 도핑된도핑된 실리콘을실리콘을 PP형형 반도반도로로 도핑된도핑된 실리콘을실리콘을 PP형형 반도반도체라체라 한다한다..

다이오드다이오드 특성특성

PP와와 NN이이 결합하면결합하면PP와와 NN이이 결합하면결합하면

다이오드다이오드 특성특성

PP형형 반도체와반도체와 NN형형 반도체를반도체를 붙이면붙이면 다이오드다이오드(Diode)(Diode)가가 탄생탄생

DiodeDiode는는 발발((리드선리드선))이이 22개개 있는데있는데 PP형형 반도체에서반도체에서 나오는나오는 발을발을 애노드애노드DiodeDiode는는 발발((리드선리드선))이이 22개개 있는데있는데 PP형형 반도체에서반도체에서 나오는나오는 발을발을 애노드애노드(A)(A)라라 하여하여 (+)(+)극을극을 갖으며갖으며 NN형형 반도체로부터반도체로부터 나오는나오는 발을발을 캐소드라캐소드라 하하여여 ((--))극을극을 갖는다갖는다

여러가지여러가지 다이오드다이오드 외형외형

공핍층과공핍층과 전위장벽전위장벽공핍층과공핍층과 전위장벽전위장벽공핍층과공핍층과 전위장벽전위장벽공핍층과공핍층과 전위장벽전위장벽

PP형형 반도체와반도체와 NN형형 반도체를반도체를 접합시키면접합시키면 NN형형 반도체에서반도체에서 소량의소량의 전자전자가가 접합면을접합면을 넘어서넘어서 형형 반 체반 체 확산될확산될 때마다때마다 이이 발생발생가가 접합면을접합면을 넘어서넘어서 PP형형 반도체로반도체로 확산될확산될 때마다때마다 이온이온 발생발생. .

이온이온 생성생성 –– 전자와전자와 정공의정공의 결합으로결합으로 소멸되는소멸되는 현상현상..전자와전자와 정공이정공이 존재하지존재하지 않는않는 공간이공간이 생긴다생긴다전자와전자와 정공이정공이 존재하지존재하지 않는않는 공간이공간이 생긴다생긴다..이것을이것을 공핍층이라공핍층이라 부른다부른다. .

공핍층에공핍층에 걸리는걸리는 전위의전위의 차이를차이를 전위장벽전위장벽 이라이라 하고하고 실리콘실리콘 다이오드다이오드공핍층에공핍층에 걸리는걸리는 전위의전위의 차이를차이를 전위장벽전위장벽 이라이라 하하 실리콘실리콘 다이다이의의 전위장벽은전위장벽은 0.7V 0.7V 이며이며 게르마늄게르마늄 다이오드인다이오드인 경우경우 0.3V0.3V의의 전위전위 장장벽을벽을 갖는다갖는다..

55가원자는가원자는 접합부근의접합부근의NN영역에서영역에서 (+)(+)전하로전하로대전되어대전되어 양이온양이온..

전자가전자가 PP영역에서영역에서 정공정공과과 결합할때결합할때 33가의가의 원원과과 결합할때결합할때 33가의가의 원원자는자는 ((--))전하로전하로 대전대전..

다이오드의다이오드의작동작동다이오드의다이오드의작동작동

일방통행과일방통행과 같은같은 작동작동 다이오드는다이오드는 전기를전기를 한쪽한쪽 방향으로방향으로 통과시키통과시키일방통행과일방통행과 같은같은 작동작동 –– 다이오드는다이오드는 전기를전기를 한쪽한쪽 방향으로방향으로 통과시키통과시키지만지만 반대반대 방향으로는방향으로는 통과통과 시키지시키지 않는다않는다..

순방향순방향 바이어스바이어스 -- (+)(+)단자가단자가 PP형형 반도체에반도체에 연결되고연결되고 ((--))단자가단자가 NN형형반도체에반도체에 연결연결..

PP형형 반도체에반도체에 정공정공, N, N형형 반도체에반도체에 전자가전자가 존재존재..

PP형형 영역쪽에영역쪽에 전지의전지의 (+)(+)극극, N, N형형 영역쪽에영역쪽에 전지의전지의((--))극을극을 연결연결. .

전자는전자는 (+)(+)극으로극으로 끌려서끌려서 PP형형 영역쪽으로영역쪽으로 이동이동..정공은정공은 ((--))극으로극으로 끌려서끌려서 NN형형 영역쪽으로영역쪽으로 이동이동..(( ))

PP형형 영역에서영역에서 NN형형 영역으로영역으로 전류가전류가 흐른다흐른다. .

역방향역방향 바이어스바이어스 –– 전지의전지의 ((--))극을극을 PP형형 반도체반도체 (+)(+)극을극을 NN형형 반도체반도체역방향역방향 바이어스바이어스 전지의전지의 (( ))극을극을 PP형형 반도체반도체, (+), (+)극을극을 NN형형 반도체반도체에에 연결하여연결하여 전압을전압을 인가인가..

PP와와 NN의의 접합면을접합면을 통과하는통과하는 캐리어가캐리어가 하나도하나도 없으므로없으므로 전류는전류는 흐르흐르지지 않는다않는다..전자와전자와 정공이정공이 접합에서접합에서 바깥으로바깥으로 이동한이동한 만큼만큼 공핍층도공핍층도 넓어진다넓어진다..

순방향에서도순방향에서도전류가전류가흐르지흐르지않는않는이유이유순방향에서도순방향에서도전류가전류가흐르지흐르지않는않는이유이유

다이오드에다이오드에 순방향순방향 전압을전압을 인가하면인가하면 순방향순방향 전류가전류가 흐른다흐른다다이오드에다이오드에 순방향순방향 전압을전압을 인가하면인가하면 순방향순방향 전류가전류가 흐른다흐른다..

순방향이순방향이 전압이전압이 매우매우 적으면적으면 비록비록 순방향일지라도순방향일지라도 전류는전류는 거의거의흐르지흐르지 않는다않는다흐르지흐르지 않는다않는다..

어느어느 전압을전압을 초과하면초과하면 갑자기갑자기 많은많은 전류가전류가 흐르는흐르는 것을것을 알알 수수 있있는데는데 전류의전류의 양이양이 급격히급격히 증가하는증가하는 전압을전압을 off set voltage off set voltage 또는또는gg임계전압임계전압 이라이라 한다한다..

게르마늄게르마늄 다이오드의다이오드의 임계전압은임계전압은 약약 0.3V0.3V

실리콘실리콘 다이오드의다이오드의 임계전압은임계전압은 0.7V0.7V이다이다. .

역방향에서도역방향에서도전류가전류가 흐른다흐른다역방향에서도역방향에서도전류가전류가 흐른다흐른다역방향에서도역방향에서도전류가전류가 흐른다흐른다역방향에서도역방향에서도전류가전류가 흐른다흐른다

역방을역방을 전압을전압을 걸면걸면 역방향역방향 전류는전류는 흐르지흐르지 않는다않는다..

실제로실제로 이이 역방향역방향 전압을전압을 점점점점 크게하면크게하면 어떤어떤 임의의임의의 값을값을 초과하초과하는는 순간에순간에 다이오드는다이오드는 더더 이상이상 견디지견디지 못하고못하고 전류가전류가 흐르게흐르게 된다된다..

많은많은 양의양의 전류가전류가 흐르기흐르기 시작하는시작하는 전압을전압을 항복전압항복전압(Zener voltage)(Zener voltage)이라이라 한다한다. .