pn 접합 다이오드는 +와 -의 전하가 교류하는 즉, 양방향의 통행을 정류(교류를 직류로, 한방향으로만 흐르게)하게 하는 장치입니다. 따라서 직류 전류에서는 전류는 p에서 n으로만 흐르고 전자는 그 반대방향으로만 흐르게 됩니다(전류와 전자의 이동방향은 반대).
전압이란 전류를 흐르게 하는 능력으로, 전위차가 클수록 전압이 큽니다(전압의 단위 V). 전위란 양(+)전하로 갈수록 전위가 높고, 음(-)전하로 갈수록 전위가 낮습니다. 즉, +와 -의 위치(위상)차가 클수록 큽니다. 여기서 역방향전압이 걸렸다는 것은 pn반도체의 경우 +에서 - 방향의 전류의 전압이 아니라, -에서 + 방향으로 전류의 전압이 발생하였다는 것입니다.
음(-)전하는 전위가 낮다고해서 아무런 에너지가 없는 것이 아닙니다. 중력과 마찬가지로 전위가 낮으면 위치에너지(퍼텐셜에너지)는 최소가 되지만, 운동에너지는 최대가 되므로 전위가 높다와 낮다는 서로 상대적인 것입니다.
전류는 전하 즉, + 에서 -, 또는 - 에서 +로 흐를때 흐르는데(교류일때), 따라서 +와 -의 전위차 즉, 전압의 위상차(또는 위치에너지)에 의해 전류가 흐르는 원인이 됩니다. 따라서 전압을 기전력이라고도 합니다. 기전력은 글자그대로 전력을 일으키는(발생시키는, motive) 힘이므로, 결국 이것은 +와 -의 위상차, 곧 전압이 됩니다.
<전압이 높으면 전류가 잘 통하고 힘도 강하다. 교류는 전압이 일정하지 않고 크기와 방향이 변화한다.>
직류는 전압이 일정하며, 교류는 전압의 크기(세기)가 변화합니다. 전압이 높을수록 전류량도 많고 강하기 때문에, 전압이 일정하다는 것은 +와 -의 위상차가 적다는 것입니다(그래프를 생각하면 쉬움). 따라서 직류는 교류만큼 높은 전압을 발생시키기 어렵습니다. 아주 옛날에 110V 직류전압을 사용한 적은 있지만, 여러가지 문제로 사용하지 못했고, 현재 가정에서 사용하는 전압인 110V(단상), 220V(주로 단상), 380V(삼상)는 모두 교류이고, 송전소의 수십만V도 모두 교류입니다(따라서 직류는 소형전자제품에 많이 사용됨).
트랜지스터와 같은 증폭회로는 교류가 아닌 직류를 사용합니다.
pnp와 npn은 작용 방식은 같습니다. 하지만 베이스에서 전류의 방향이 다르므로 전자장치 전류의 흐름에 따라 pnp와 npn의 사용을 구분합니다(전류의 방향에 따라 pnp 또는 npn을 골라서 사용). 또한 n형반도체의 전자 이동 속도(빠른 반응성)가 p형반도체의 양공보다 빠르므로, 다수의 전하 운반자로 전자를 가지고 있는 npn 트랜지스터를 pnp 트랜지스터보다 더 많이 사용합니다.
pn 반도체 다이오드를 사용하는 이유가 전류를 한방향으로만 흐르게하는 정류작용(교류를 직류로 전환)을 위해서라면,
pnp와 npn 반도체 트랜지스터를 사용하는 이유는 크게 '증폭작용'과 '신호이용(스위치작용)'을 위해서 입니다.
▶ 증폭작용 : 순방향전압의 크기를 조절하면 컬렉터에 흐르는 전류(Ic)의 크기를 조절할 수 있습니다. 순방향전압의 크기는 역방향전압의 크기보다 작아야하는 전제조건에서, 순방향전압의 크기를 어느정도 커지게해주면(전력을 증가해주면), 베이스에 전류가 증가하면서 컬렉터의 전류도 증가하게 됩니다. 보통 베이스와 컬렉터의 전류 비율은 1:100~200입니다. 유사하지는 않지만 쉽게 말하면 고무호스를 누르면 물이 쎄지는 원리입니다. 트랜지스터의 베이스가 고무호스를 누르고 있으므로 물을 더 세게 틀수록(전력을 증가할수록) 증폭은 더 세집니다.
▶ 신호이용(스위치작용) : 순방향전압이 걸리지 않으면 역방향전압도 걸리지 않습니다. 하지만 순방향전압이 걸리면 역방향전압이 걸리면서 컬렉터의 Ic에 전류가 흐릅니다. 즉, 순방향전압(IE)을 기준치 이하로 낮추면 역방향전류(Ic)가 0이 되고, 순방향전압(IE)을 기준치로 높이면 역방향전류(Ic)에 큰 전류가 흐르게 되게 합니다. 이것을 0과 1 또는 1과 0의 신호로 이용하여 반도체트랜지스터 회로를 만들 수 있습니다.
증폭작용은 아날로그 방식에, 신호이용은 디지털 방식에 이용됩니다.
증폭작용은 신호를 증폭시키므로 스피커, 라디오, 텔레비전, 레이더 등에 사용됩니다. 신호이용은 0과 1의 정보를 구분하므로 컴퓨터의 디지털 신호와 정보로 사용됩니다. 따라서 한개의 pnp(npn) 반도체를 1비트(bit)라고 한다면, 최근의 초고밀도직접회로의 경우는 칩한개당 이러한 트랜지스터가 10억개이상(CPU속도로 약 3GHz, 1초에 수십억번이상의 on, off(또는 1과 0) 기능) 있습니다. 이것이 현재 CPU와 메모리반도체 등으로 발전되어 사용되고 있습니다.
<역방향전압에서 전류가 흐르는 이유>
전류가 p에서 n로 흐르는 것이 당연한데(pn접합다이오드에서는 역방향전압이 발생하지 않음), 트랜지스터는 그반대인 역방향전압이 흐를 수 있는 이유는, pnp의 경우는 역전압의 -가 컬렉터(p)의 양공(+)을 끌어오고, npn의 경우는 역전압의 +가 컬렉터(n)의 전자(-)를 끌고 들어와서 전류가 흐를 수 있게 됩니다. 역방향전압만으로는 전류가 흐르지 않지만, 순방향전압이 흘러주면서 서로 길을 터주는 역할이 됩니다(일종의 마중물 효과). 다른관점에서보면 순방향쪽으로 흐르는 전압을 더강한 역방향전압이 자기쪽으로 끌고 들어와 증폭작용을 일으키는 것과 마찬가지입니다.
입력신호
출력신호
<npn 트랜지스터를 이용한 라디오 주파수 증폭기>
<그림출처 : 증폭회로 - 위키백과>
하지만 역전압(역방향전압)이 너무 크게되면 전하가 항복하는 항복전압(breakdown voltage)현상이 발생하게 됩니다. 이것을 견디지못하면 전자사태로인해 트랜지스터는 망가집니다.
▶ 일반적인 p-n 다이오드 : 불순물 함량이 낮다. 순방향 전류가 흐른다. 역방향으로 전압이 걸리면 항복전압이 높아 역방향 전류는 흐르지 않는다. 즉, 정류작용을 잘한다. 하지만 역방향으로 항복전압보다 높은 전압이 걸리면, 전자사태가 발생하여 급격히 역방향 전류가 흐르고 발열 및 과열로 인해 다이오드가 파괴된다.
▶ 제너다이오드 : 불순물 함량이 높다. 순방향 전류가 흐른다. 여기까지는 일반적인 p-n 다이오드와 다를바 없다. 하지만 항복전압이 낮아 역방향 전압이 걸리면 쉽게 역방향 전류가 흐르면서 일정한 전압을 유지시키고 다이오드는 파괴되지 않는다. 따라서 정류작용보다는 일정한 전압을 유지시키는 목적이 크다.
<항복전압이 발생하면 역방향(-) 전류가 급격히 늘어남>
위의 그래프처럼 일반적인 pn다이오드는 정류작용을 하므로 순방향전압이 걸려야만 전류가 흐르고, 역방향전압이 걸리면 전류가 흐르지 않습니다(전류 0). 하지만 역방향전압을 잘 견디다가(막아내다가) 역방향전압이 어느 수준이상이 되면 역방향전류가 갑자기 늘어나는데, 이때는 제기능을 못하는 항복전압(breakdown)이라고 합니다. 이때 역방향 전류가 흐릅니다. 반도체의 불순물이 많을수록(도핑이 많이될수록) 항복전압은 낮아집니다(쉬워진다). 이것은 제너다이오드의 원리입니다.
p형반도체와 n형반도체가 서로 접합하게 되면, 접합면에서는 p형의 양공과 n형의 전자가 서로 결합하려고 자리를 떠나 이동하려 합니다. 하지만 실제로는 이 중간지점은 전기적으로 중성 즉, 평형이 됩니다. 이 곳이 공핍층(depletion layer)입니다. 공핍층에는 전자와 양공은 없어지고 그 자리를 음이온과 양이온이 차지하게 되어, 공간전하인 음이온과 양이온은 이동하지 못하므로(이들은 무거운 원소이므로) 공핍층을 형성하여(전위장벽) 전자와 양공이 이동하지 못하게 막습니다.
하지만 전류가 들어오면 양공과 전자가 이동하게 되면서 전위장벽이 깨지며(공핍층은 사라지며) 전류가 흐르게 됩니다.
n형반도체나 p형반도체는 극단에 역방향전압이 걸리게 되면 전하(전자,양공)가 극단으로 이동하면서 공핍층이 더욱 커지므로 전류가 흐르지 않게 됩니다. 그러나 제너효과로인해 역방향전압이 너무 강하면 항복전압이 생겨 전류가 역방향으로 흐르게 됩니다. 이때 전자의 수가 급격히 늘어나는데 전자사태(electron avalanche)를 일으키게 됩니다. 이러한 전자사태(제너효과)를 오히려 이용한 다이오드인 제너다이오드(zener diode)도 있습니다. 제너다이오드는 일부로 항복전압을 낮추어 적당히 역전압을 차단하다가 또한 쉽게 제노효과가 되어 역방향전류를 흐르게하여 전류의 목적보다는 넓은 전류 범위(전자사태때 전류가 크게 늘어나므로)에서 일정한 전압을 유지해서 과전압으로부터 회로를 보호하는 목적의 다이오드입니다.
높은 역방향 바이어스(전압 등)를 걸어줄 경우 breakdown에 의해 역방향 전류가 흐릅니다. Breakdown의 종류에는 Zener breakdown(제너항복), Avalanche breakdown(전자사태항복)이 있습니다. 제너항복은 공핍층의 강한 전기장의 형성과 전자사태항복은 전자와 양공의 충돌 및 자유전자 증가가 원인으로써 서로 비슷하면서도 다른데, 반도체에서 5.6V 이하에서는 제너 항복이, 그 이상에서는 전자사태 항복 현상이 주된 특성이 됩니다
<BJT는 전류제어방식, FET는 전압제어방식>
트랜지스터의 종류는 크게 실제 흐르는 전류로 트랜지스터의 전류를 제어하는 BJT(접합형)와 이때 이를 pnp, npn이라고 합니다. 단지 전압으로 전기장을 형성시켜 트랜지스터의 전류를 제어하는 FET(필드 효과, 현재 가장 많이 사용)가 있습니다.
트랜지스터의 주된 기능은 전류를 양갈래로 나누고 한쪽은 많이 다른쪽은 조금 흐르게 하기 위한 장치입니다. 많이 흐르는게 하기 위해서 역방향전압을 걸어주면 역방향전류가 작을때는 흐르지 않지만, 일정수준을 넘어서면 항복전압에 의해 역방향으로 쌓여있던 많은 전류가 갑자기 흐르게 됩니다. 다만 너무 많은 전류가 흐르면 트랜지스터는 망가집니다. 때에따라서 항복전압은 트랜지스터가 망가지기 전까지 견딜 수 있는 역방향 전압의 한계치를 의미하기도 합니다.
<반도체의 원리와 원소들의 사상체질(四象體質)>
n형과 p형반도체는 불순물반도체인데, 불순물함량이 낮을수록(진성반도체가 될수록) 역방향전압에 강한 동시에 항복전압이 잘일어납니다.
<항복전압일때 급격한 체질적 변화>
BJT의 원리 및 물성, 제작 방법
(BE-Diode, BC-Diode 특성, 문턱전압 관찰, 열에 따른 Diode 특성 관찰)
I. 쌍극형 접합 트랜지스터 (BJT, Bipolar Junction Transistor)
BJT란, N형 반도체와 P형 반도체를 접합하여 제조하는 트랜지스터를 말한다.
N형과 P형으로 도핑된 세개의 영역과 이로 인해 형성되는 두개의 PN접합으로 구성된다.
각 도핑 영역은 이미터와 베이스 컬렉터에 따라 NPN형과 PNP형 두 종류가 있다.
베이스와 이미터, 컬렉터 3개의 전극으로 구성되어 있으며,
이미터는 전하 운반자를 방출하며, 컬렉터는 전하 운반자를 받아들인다.
NPN형은 이미터가 N형, 베이스 P형, 컬렉터 N형으로 구성되며
PNP형는 이미터가 P형, 베이스가 N형, 컬렉터가 P형이다.
두 결합의 차이점은 인가전압이 반대이다.
증폭 작용과 스위치 작용을 하기위해 이용되며, N형의 전자 이동이 정공보다 빠르기 때문에
NPN 트랜지스터를 대게 사용하나 전류의 방향에 따라 달리 사용한다.
- 트랜지스터 동작원리
- NPN형
N형에 (+), P형에 (-)전압을 걸면(역방향 전압) 전자와 정공의 이동으로 인해 공핍층이 형성되어 전류가 흐르기 어렵다. 순방향 전압을 걸게 되면 정공은 N형 반도체 쪽으로 이동하고 N형은 P형 쪽으로 이동하여 전류가 잘 흐르게 된다.
위 그림과 같이 전압을 걸어주어 이미터 쪽의 N형 일부전자는 P형쪽으로 이동하여 정공과 결합하고 나머지는 P형층을 넘어 컬렉터의 전자와 함께 (+)방향으로 이동하며 전류가 흐르게 된다. 즉, 컬렉터에서 베이스 쪽으로 전류가 흘러 들어오면 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐르는 것이다. (베이스에서 이미터 단자 쪽으로 전류가 나가는 것)
- PNP형
NPN형과 동작원리는 동일하나 방향이 반대이다. PNP는 이미터에서 베이스로 전류가 흘러나가면 이미터에서 컬렉터로 전류가 흐른다. 즉 이미터에서 베이스로 전류가 들어오는 것이다.
- 트랜지스터 작동 영역(NPN)
BJT 베이스에 전류를 가해주고 컬렉터에 걸어주는 전원을 늘려보면 영역이 나뉘게 된다.
차단영역, 포화영역, 활성영역, 항복영역으로 나눌 수 있다.
① 차단영역(Cut-Off Region)
BE 접합 역방향, BC접합 역방향, 전압 B<E,C
이론상 베이스에 전류가 흐르지 않는다면 컬렉터에 전류가 흐르지 않아야 한다. 하지만 실제로는 조금의 전류가 흐르게 된다. 베이스에 전압을 걸지 않은 상태를 차단 영역이라고 한다.
(트랜지스터가 개방회로처럼 작동하며, 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐르지 않는다.)
② 포화영역(Saturation Region)
BE 접합 순방향, BC접합 순방향, 전압 E,C < B
BE에 순방향 전압을 걸어주게 되면 는 약 0.7V 걸리게 되고, 를 증가시키면 가 증가하게 되며, 처음에 BC에 순방향 전압이 걸린다. 이때 컬렉터로 이동하는 전자들이 많아지며 이 영역을 포화영역이라고 한다. \와 함께 컬렉터 전류가 증가하게 되며, 포화영역은 (sat)이 될 때까지 발생한다.
((sat) = 0.2V, CE의 문턱전압)
(트랜지스터가 단락회로처럼 동작하며 전류가 이미터로 자유롭게 흐른다.)
③ 활성영역(Active Region)
BE 접합은 순방향 바이어스, BC접합은 역방향 바이어스, 전압은 E<B<C
(sat)보다 가 커지게 되면 BC에 역방향 전압이 걸리게 된다. 이때 전류가 일정하게 유지되며 이 영역을 활성 영역이라고 한다. 컬렉터에서 이미터로의 전류는 베이스로 흐르는 전류에 비례한다. 95%의 전자가 베이스에서 컬렉터로 이동하게 되며 BJT트랜지스터에 확산 전류가 발생한다. 이 영역에서 BJT를 작동시킨다.
④ 항복영역(Breakdown Region)(=역활성영역)
BE 접합 역방향, BC접합 순방향, 전압 E>B>C
BC는 역방향 전압이 매우 커지게 되면 Avalanche Breakdown이 생기게 되어 작동하지 않게 된다. 신호를 축소하기 때문에 잘 사용하지 않는다. 전류는 기본 전류에 비례하지만 역방향으로 흐른다. 전류는 이미터에서 컬렉터로 흐르며 목적으로 설계된 트랜지스터가 아니다.
- 실제 트랜지스터의 전류-전압 특성 곡선
- 열에 따른 다이오드 특성
다이오드는 순방향에서 일정전압 즉 문턱전압을 넘어야 동작하며 역방향에서는 약간의 전류가 흐르지만 거의 차단된 것과 같다.
순방향에서 전압과 전류에 관한 식
열전압
다이오드 위에 열전압이 가해질 때 발생하는 전류를 포화전류라고 하며 라고 한다. 열전압은 온도에 따라 변화하게 되는데 이로 인해 다이오드의 IV그래프에도 영향을 준다. 온도가 높을수록 문턱전압은 낮아지게 되고, 더욱 빨리 반응한다.
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