원자,전하,자유전자,바이어스 등 반도체 기초 요약 정리

※ 요약 정리

▶ 보어(Bohr)의 고전적 원자 모형에 의하면 원자는 중앙의 핵과 핵 주위를 일정 궤도로 돌고 있는 전자를 갖는 행성 구조로 보았다.

▶ 원자핵은 양자와 중성자로 이루어져 있고 양자는 양전하를 가지며 중성자는 극성을 갖지 않는다. 양자의 수가 원자의 원자질량이다.

▶ 전자는 음전하를 갖고 그들 에너지 준위에 따라 일정 거리에서 핵 둘레를 돈다. 원자는 전자궤도 내에 각(shell)이라 하는 에너지의 불연속대를 갖고 있고, 이 각에서 전자가 궤도를 회전하고 있다. 원자 구조는 각각의 각에 허용 가능한 최대 전자 수를 받아들이고 이들 각은 K, L, M이라고 한다. 자연상태에서 모든 원자는 양자와 전자의 수와 같기 때문에 중성이 된다.

▶ 최외각을 가전자대라 하고 이 대역 내에 존재하는 궤도전자들을 가전자라 한다. 이 전자들은 원자 내에서 가장 높은 에너지를 갖는다. 가전자가 외부로부터 열과 같은 충분한 에너지를 얻게 되면 가전자대의 밖으로 뛰어나가 원자로부터 떨어져 나간다.

▶ 반도체 원자들은 네 개의 가전자들을 갖는다. 실리콘은 반도체 물질 중에서 가장 널리 사용된다.

▶ 도체인 물질은 많은 수의 자유전자를 갖고 전류가 매우 잘 흐른다. 절연체는 매우 적은 자유전자를 가지므로 모든 정상적인 환경하에서 전류를 잘 흘리지 못한다. 반도체는 전류를 전도하는 능력이 도체와 절연체의 중간 정도이다.

▶ 반도체 원자들이 고체의 형태로 함께 결합하는 것을 결정(crystal)이라고 한다. 함께 결정을 묶여진 결합을 공유결합이라고 한다. 결정 구조 내의 모체 원자로부터 벗어나는 가전자들을 자유전자 또는 전도 전자라고 한다. 그들은 가전자대의 전자들보다 더 큰 에너지를 갖고 있으며 물질을 통해 이동하기가 자유롭다. 전자가 떨어져 나가 자유롭게 도리 때 가전자대 내에 정공이 남게 되는데, 이것을 전자-정공쌍이라고 한다. 이들 전자-정공쌍은 외부 열로부터 충분한 에너지를 얻으면 전자들이 떨어져 나가기 때문에 열적으로 생성된다고 한다.

▶ 자유전자는 결국 에너지를 잃게 되어 정공으로 다시 떨어진다. 이 현상을 재결합이라고 한다. 그러나 전자-정공쌍은 계속해서 열적으로 생성되기 때문에 물질 내에 항상 자유전자가 존재한다.

▶ 전압을 반도체 양단에 가하면 열적으로 생성된 자유전자들이 양(+)단자 방향으로 움직여서 전류가 형성된다. 이것이 전류의 한 형태로 전자 전류라고 한다.

▶ 또 다른 형태의 전류는 정공 전류이다. 이 전류는 정공에서 정공으로 움직이는 가전자 땜누에 일어나며 정공의 움직임은 전자의 방향과 반대이다.

▶ n형 물질은 다섯개의 가전자를 가진 불순물 원자를 첨가함으로써 만들어진다. 이런 불순물을 5가 원자라고 하고 이런 과정을 도핑이라고 한다. p형 반도체는 세 개의 가전자만을 가진 불순물 원자를 넣음으로써 만들어지는데, 이런 불순물을 3가원자라 한다.

▶ 반도체에 3가 또는 5가 불순물을 추가하는 과정을 도핑(doping)이라고 한다.

▶ n형 반도체의 다수 반송자는 도핑 과정에서 얻어진 자유전자들이고 수수 반송자는 열적으로 일어나는 전자-정공쌍에 의해서 만들어진 정공이다. p형 반도체에서 다수 반송자는 도핑 과정에서 얻어진 정공이고 수소 반송자는 열적으로 일어나는 전자-정공쌍에 의해서 만들어진 자유전자이다.

▶ 한 물질 내에서 한 부분은 n형이고 다른 한 부분은 p형일 때 pn접합이 형성된다. 다수 반송자가 전혀 없는 접합 부근에서이온화에 의해서 공핍층은 형성된다.

▶ 전류는 순방향 바이어스될 때만 pn접합 양단에 흐르고 역방향 바이어스나 바이어스가 없을 때는 흐르지 못한다. 역방향 바이어스시에는 열적으로 생성된 소수 반송자에 의해 매우 적은 전류가 존재하지만 일반적으로 이것을 무시할 수 있다.

▶ 만일 바이어스 전압이 항복 전압과 같거나 초과하면 역방향 바이어스된 pn접합에는 애벌란시가 일어난다.

▶ 순방향 바이어스 때 다이오드는 전도 전류가 흐르고 역방향 바이어스되었을 때는 전류가 흐르지 않는다.

▶ 순방향 바이어스의 장벽 전위는 실리콘 다이오드일 때 0.7V, 게르마늄 다이오드일 때 0.3V이다. 이 값들은 순방향 전류의 증가에 따라 약간 증가한다.

▶ 다이오드의 역항복 전압은 일반적으로 50V 이상이다.

▶ 이상적인 다이오드는 역방향 바이어스 때 개방, 순방향 바이어스 때 단락을 나타낸다.

※ 주요 용어 정리

▶ pn 접합(pn junction) : 다른 두 개의 반도체 물질 사이의 경계.

▶ V-I 특성 : 다이오드 전압과 전류 관계를 보여주는 곡선.

▶ 가전자(valence) : 원자의 최외각과 관련.

▶ 각(shell) : 원자의 핵을 돌고 있는 전자들의 에너지대.

▶ 결정(crystal) : 고체 물질을 형성하는 원자의 배열이나 패턴.

▶ 다이오드(diode) : 한 개의 pb접합으로 구성되어 전류를 오직 한 방향으로만 흘리는 반도체 소자.

▶ 도체(conductor) : 전기 전류가 매우 잘 흐르는 물질.

▶ 도핑(doping) : 전도 특성을 제어하기 위하여 순수 반도체 물질에 불순물을 주입하는 과정.

▶ 바이어스(bias) : 다이오드에 전류를 흐르게 하든가 차단시키든가의 응용목적으로 다이오드에 걸어주는 직류 전압.

▶ 반도체(semi conductor) : 전도 특성이 전도대와 절연체 사이인 물질.

▶ 순방향 바이어스(forward bias) : pn접합으로 전류를 흐르게 하는 조건.

▶ 실리콘(silicon) : 반도체 물질.

▶ 양극(anode) : 다이오드의 p영역.

▶ 양자(proton) : 양전하를 가진 기본 입자.

▶ 역방향 바이어스(reverse bias) : pn접합이 전류를 흐르지 못하게 하는 상태.

▶ 원자(atom) : 원소 유일한 특성을 결정짓는 원소 내의 가정 적은 입자.

▶ 이온화(ionization) : 중성원자로부터 전자를 제거 또는 부가하여 결과적으로 원자(이온이라고 함)가 순수 양전하 혹은 음전                               하를 띠도록 하는 것.

▶ 자유전자(free electron) : 모체 원자의 가전자대로부터 떨어져 나가는데 충분한 에너지를 갖는 전자, 전도 전자라고도 한                                      다.

▶ 장벽 전위(barrier potential) : 순방향 바이어스시 pn접합을 가로질러 완전 전도를 만들기 위해 필요로 되는 에너지의 양.

▶ 전자(electron) : 음의 전기 특성을 갖는 기본 입자.

▶ 절연체(insulator) : 전류가 흐르지 못하는 물질.

▶ 정공(hole) : 전류가 흐르지 못하는 물질.

▶ 음극(cathode) : 다이오드의 n영역.

그럼 이만 ~~~