P형 반도체, N형 반도체 부터 PN접합 다이오드 까지, 순방향 역방향 다이오드 까지!

P형 반도체, N형 반도체 부터 PN접합 다이오드 까지, 순방향 역방향 다이오드 까지! 알아보겠습니다.

P형 반도체, N형 반도체 부터 PN접합 다이오드 까지, 순방향 역방향 다이오드 까지! 

다이오드란, 역할

1. 다이오드는 전류를 한쪽으로만 흐르게 하는 정류 작용을 하는 소자입니다.

- 정류 작용을 이용하면 역전압을 막아줄 수 있습니다.

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2. 과전압을 보호해주는 역할

- 부품을 보호하고 특히 고주파 회로에 특화되어 있습니다.

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3. 전압을 일정하게 유지하는 역할

- 교류를 직류로 변환해줍니다.

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다이오드의 원리

다이오드를 이야기하면서 P형 반도체와 N형 반도체 이야기를 하지 않을 수 없습니다.

그 전에 반도체에 대해서 알아보겠습니다.

우리는 초등학교 수업에서 도체와 부도체에 대해서 배웠습니다.

전기가 통하면 도체, 전기가 통하지 않는 물질은 부도체라고 배웠죠.

그럼, 반도체는 무엇일까요?

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반도체는 도체의 기능과 부도체의 기능을 둘 다 가지고 있는 녀석입니다.

즉, 빛 혹은 열을 가하거나, 불순물을 가하면 도체의 기능을 합니다.

제어를 할 수 있다는 것인데, 이러한 반도체를 이용하면 전기를 제어할 수 있죠.

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그럼, P형 반도체와 N형 반도체는 무엇일까요?

예상하셨듯이 P는 Positive로부터, N은 Negative로부터 유래합니다.

양의 성질을 가진 P형 반도체와 음의 성질을 가진 N형 반도체는 자유전자에 따라 성격을 달리하는데요.

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1. N형 반도체: 전하를 옮기는 운반자로써 자유전자가 사용되는 반도체입니다.

2. P형 반도체: 전하를 옮기는 운반자로써 정공이 사용되는 반도체입니다.

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그림으로 보면 다음과 같습니다.

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P형에는 정공인 (Holes)가 많이 보이죠.

반대로 N형에는 자유전자 (Free electrons)가 많이 보입니다.

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그럼, P-N 접합 다이오드에 대해서 알아볼께요.

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3. P-N 접합 다이오드: P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 놓은 소자입니다.

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위 그림은 P-N 접합을 나타낸 그림입니다. 전기를 주지 않았을 때는 경계면이 부도체로 작동을 합니다.

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만약, 위의 그림처럼 순방향으로 전압을 걸어주게 되면 어떻게 될까요?

전류가 정말 잘 흐르게 됩니다. 전류는 +에서 -로 흐르고, 전하는 -에서 +로 이동한다고 배웠죠?

위의 경우에는 전하가 +로 잘 이동하게 됩니다.

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반대로 되면 어떨까요?

반대로 하면, 경계면에서 전하의 이동이 없습니다. 즉, 전류가 흐르지 않게 되는 정류 작용을 하게 됩니다.

다이오드는 전압을 어떤 방향으로 주느냐에 따라 도체가 되기도 하고 부도체가 되기도 합니다.

 

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진성반도체(instrinsic semiconductor) 와 불순물 반도체(impurity semiconductor)

 

반도체는 진성반도체(instrinsic semiconductor) 와 불순물 반도체(impurity semiconductor)로 나눌 수 있고 불순물 반도체는 불순물의 종류에 따라 N형 반도체와 P형 반도체로 구분합니다. 진성 반도체는 앞에서 살펴 본 실리콘과 게르마늄의 한가지 원소의 단결정으로 만들어집니다.

순수 반도체인 진성 반도체(intrinsic semiconductor)는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에 전류가 흐르지 않습니다.

진성 반도체에 특정 불순물을 첨가하여 전자(electron)나 정공(Hole)의 수를 증가시켜 전기전도도를 조절할 수 있는데, 이러한 반도체를 외인성 반도체(Extrinsic) 혹은 불순물 반도체라고 합니다.

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4족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 5개인 인(P), 비소(As) 등 5족 원소를 불순물로 첨가하면 실리콘 원자와 공유결합 후, 전자가 남는 상태, 즉 잉여전자가 생깁니다.

이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 제자리를 못찾은 잉여전자는 자유전자가 되어 전류가 흐르는 것입니다.

5족 원소가 추가된 반도체는 전자가 전하를 나르는 캐리어(carrier)로 동작하기 때문에

전자의 극성을 따서 N형, Negative 형 반도체라고 합니다.

 

[ N형 반도체의 격자 구조 ]

[ N형 반도체의 전류 흐름 _ 출처: 삼성반도체이야기 ]

또한 5족의 불순물은 전자를 제공하는, 즉 donate 하는 역할을 하기 때문에 donor라고 부릅니다.

도너의 개수와 전자의 개수는 거의 같으므로 도너의 양이 많아지면 전자의 수도 늘어나게 되고 따라서 전류를 보다 쉽게 흘릴 수 있게 됩니다.

이와 같이 미량의 불순물 양에 따라 전류 전도도를 쉽게 바꿀 수 있는 것이 반도체의 가장 큰 장점입니다.

N-Type 반도체의 다수 캐리어(carrier)는 전자(electron), 소수 캐리어는 정공(hole)입니다.

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이와 다르게 4족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 3개인 붕소(B) 등 3족 원소를 불순물로 첨가하면 실리콘 원자와 모두 공유 결합 후, 전자가 비어있는 상태, 즉 정공(hole)이 생깁니다.

이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 정공이 이동하면서 전류가 흐르는 것입니다.

이 경우 정공은 양 전하를 띠고 있는 것처럼 행동하기 때문에 이와 같은 반도체를 P형, Positive형 반도체라고 합니다.

[ P형 반도체의 격자 구조 ]

[ P형 반도체의 전류 흐름 _ 출처: 삼성반도체이야기 ]

3족의 불순물은 전자를 받아들이는 accept 하는 역할을 하므로 accepter 라고 부릅니다.

규소 결정에 붕소원자를 많이 넣을 수록 정공이 많아져 전자의 흐름이 용이해집니다.

붕소 원자 1개에서 1개의 정공이 생기므로

붕소원자가 10개면 10개의 정공이 생기고

1000개면 1000개의 정공이 생기는 것입니다.

P-Type 반도체의 다수 캐리어(carrier)는 정공(hole), 소수 캐리어는 전자입니다.

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그럼 이 둘을 한번 붙여보면 어떤 일이 일어날까요?

최초의 반도체라 할수 있는 다이오드는 이렇게 해서 만들어졌습니다.

PN 접합 다이오드는 P-Type 반도체와 N-Type반도체를 붙여 놓은 것입니다.

이렇게 P-Type 반도체와 N-Type반도체가 붙은 경계면을 p-n접합(p-n junction)이라고 합니다.

이 두 반도체를 어떻게 붙였을까요? 풀로 붙였을까요? 아니면 납땜으로?

사실은 하나의 실리콘 조각에 한쪽은 p-type불순물을 다른 쪽은 N-Type불순물을 주입한 것입니다.

즉 붙인 것이 아니라 원래부터 붙어 있던 한 조각입니다.

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앞에서 본 것처럼 P-Type 반도체에서는 정공이 다수 캐리어이고 전자가 소수 캐리어입니다.

반대로 N-Type반도체에서는 전자가 다수 캐리어이고 정공이 소수 캐리어입니다.

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[ 순방향 바이어스 ]

 

PN접합 소자에서

P쪽에 (+)극을

N쪽에 (-)극을 연결하는 것을

순방향 바이어스(foward bias)라고 합니다.

그러면

P-Type에 있는 소수캐리어인 전자와

N-Type의 다수캐리어인 전자가

다이오드의 +극 쪽으로 이동해

전지의 +극으로 들어갑니다.

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한편 

N-Type의 소수캐리어인 홀과

P-Type의 다수캐리어인 홀이

다이오드의 ( -)극 쪽으로 이동해

역시 전지의 (-)극으로 들어갑니다.

 

이는 자석에서 같은 극끼리는 서로 밀치고

다른 극끼리는 서로 끌어당기는 것과 같은 이치입니다.

앞서 설명하였지만 전자는 음전하이므로

전류의 방향이 전자의 흐름과 반대방향이고 (+ 에서 -로),

홀은 양전하라서 전류의 방향이 홀의 방향과 같습니다.

따라서

전자는 p-n접합을 넘어 다이오드의 +극쪽으로 이동하고,

홀은 반대로 다이오드의 -극으로 이동하니까

 

결국 다이오드의 +극에서 -극으로 전류가 흐릅니다.

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[역방향 바이어스]

 

순방향에서의 연결과 달리

P쪽(+)극에 -전압을,

N쪽(-)극에 + 전압을 가하는 상태를

역방향 바이어스(reverse bias)가 걸렸다고 합니다.

이때의 동작을 살펴보면

다이오드의 +극에서 보면

전지의 - 전압이 걸려 있으므로

p-type의 다수 캐리어인 홀이 몰려들고

 

다이오드의 -극에는

전지의 +전압이 걸렸으므로

n-type의 다수 캐리어인 전자가 몰려 들어

가운데는 전자든 홀이든 어떤 캐리어도 존재하지 않습니다.

이 공간을 공핍층(depletion layer)라고 합니다.

 

즉 다수 캐리어들이 p-n접합을 건너가지 않고

자기가 원래 있었던 쪽으로 몰려가고

p-n접합에는 아무런 캐리어들이 넘나들지 않습니다.

즉 전자와 홀이 p-n접합을 지나가지 않으므로 '전류가 흐르지 못합니다'.

그래서

다이오드에 역방향 전압이 걸렸을 때는

전류가 흐르지 않아 전기가 통하지 않습니다.

 

이렇게 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 만든 것이 다이오드(Diode) 입니다.

 

다이오드는 전원장치에서 교류전류를 직류전류로 바꾸는 정류 용도,

라디오의 고주파에서 저주파 음성신호를 추출하는 검파용도,

전류의 ON/OFF를 제어하는 스위칭 용도,

빛을 발산하는 표시등이나 조명 용도등 매우 광범위하게 사용되고 있습니다.

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이상으로 P형 반도체, N형 반도체 부터 PN접합 다이오드 까지, 순방향 역방향 다이오드 까지! 였습니다.

읽어주셔서 감사합니다. 

읽어주셔서 감사합니다