1. 반도체 이론
반도체물질은 다이오드, TR, IC(Integrated circuit)를 말하며 이를 이해하기 위해서는 먼저 원자의 개념에 대해서 알아야 한다.
원자의 구성은 3가지로 "양자, 전자, 중성자(덩치가 크다)"로 구분할수있으며 원자란 물질의 특성을 유지하는 가장 단위의 물질을 말한다. 사실 돌턴의 원자설에 의하여 원자란 더이상 쪼개지지 않는 물질로 정의하였지만...그건 후에..깨져버렸다..;; 바로..소립자라는 물질로..
[소립자]--------------------
물질을 세분해 가면 분자 → 원자 → 원자핵 → …으로 세분화되고 마지막에 더이상 나눌 수 없는 가장 작은 알갱이에 이르게 되는데 이를 소립자라고 한다. 소립자는 현재까지 발견된 물질을 구성하는 가장 작은 단위의 입자이다. 그리고 이러한 물질의 최소단위를 연구하는 학문을 소립자물리학이라고 한다.
원자의 크기는 1mm의 1만분의 1 정도이며, 원자핵은 1mm의 약 1조분의 1이라고 밝혀져 있다. 소립자인 전자는 원자핵의 약 1만분의 1크기이며 질량은 9.1×10-28g 소립자물리학에서는 소립자의 크기를 0으로 설정한다.
[출처] 소립자 | 두산백과----------------------
암튼 다시 원자의 구성으로 돌아가서는 원자는 가지고있는 양자의 수와 전자의 수는 항상 같기때문에 전기적으로 중성을 띄며 이는 전하량"0"을 의미한다. 그리고 전자와 원자핵(양자와 중성자를 합쳐서 일컫는말)까지으 거리를
궤도(Orbit) = Shell = 각 = 에너지대역(Band)
라고 정의하며 핵으로부터 멀어질수록 에너지 준위는 증가한다고 표현한다. 에너지 준위가 높다라는 말은 최외각전자가 자유전자가 되기가 쉽다고 표현되며 이는 이온화가 쉽다는 의미이다.
*높은 에너지 준위 = Shell(각)의 수가 많다 = 원자의 영향을 덜 받는다 = 이온화가 쉽다
*각(shell)내에서 존재가능한 전자의 수 = Ne = 2N^2 (2의 N(각,궤도,쉘)제곱승)
그리고 최와각전자란 앞서 말한 궤도(Orbit)의 최외각을 의미하며 이것을 가전자대 라고 부른다. 그리고 가전자대에 있는 전자를 "가전자"라고 부른다.
예시) 실리콘(Si)의 원자번호는 = 14 이다.
실리콘이 최외각 전자의 수는 4이다. 왜냐하면 각내에서 존재가능한 전자의 수는
N(각) = 1 / 존재가능한 전자수 = 2
N(각) = 2 / 존재가능한 전자수 = 8
N(각) = 3 / 존재가능한 전자수 = 18
N(각) = 4 / 존재가능한 전자수 = 36 ..
이기때문에 실리콘은 3개의 쉘을 가지며 마지막 세번째 쉘 (최외각)에는 가전자가 4개가 존재한다.
그래서 실리콘은 순전하는 +4 (14개의 양자 -10개전자)로 표현한다.
코어=가전자대역을 제외한 모든것.
그래서 실리콘 원자의 코어는 +4이며 실리콘 원자내의 가전자에는 +4의 인력이 작용한다. 이는 가전자를 속박하려는 힘이라고
보면 된다. 즉 이 인력이 낮을수록 이온화가 쉽고 자유전자가 되고 싶다는 뜻이다 (전도대역으로 전자의 이동이 쉽다는 의미)
▶이제 우리는 원자의 개념을 알았다. 그럼 이제 원자의 전기적 특성을 이해하고 이것을 통하여 다이오드가 어떻게 탄생하게 되었는지 알아보자.
모든 물질은 원자로 이루어져 있으며 이들 원자는 전류를 흐르게 할수있는 능력을 지니고있다. 후에 다시 설명하겠지만 이 능력은 자유전자의 흐름을 말하는 것이다. 그리고 이흐름을 만드는 자유전자는 가전자대를 탈출하여 전도대에 머물고있는 전자를 의미한다.
절연체 : 가전자들이 원자에게 강하게 속박된 물질
도체 : 하나의 가전자만을 원자에게 약하게 속박된 물질
반도체 : 절연체와 도체의 중간물질
▶공유결합 : 가전자를 서로 공유함으로 최외각 궤도(쉘)에 존재할수 있는 전자의 수를 모두 채운상태 = 화학적으로 안전된 상태.
위 3가지 물질의 차이는 결국 자유전자의 유.무를 의미하며 가전자대역에서 전도대역으로 점프한 자유전자를 말한다.
에너지갭이 높으면 절연체이며 낮으면 도체이다.
그리고 이 자유전자의 흐름을 우리는 "전류"라고 말한다. 반도체 내에서 전류는 2종류가 있으며 아래와 같다.
1) 전자전류 : 전도대역의 자유전자의 움직임 (-) -> (+)
2) 정공전류 : 전도대역에서 올라간 가전자의 빈자리=정공에 다른 가전자가 이동하는 움직임 (+) -> (-)
▶진성결정 : 불순물을 전혀 포함하지 않는 결정체 = 전기적 중성상태를 띈다.
그래서 위의 2가지 전류를 이제 인위적으로 만들기 위해서 반도체라는 도체도 절연체도 아닌 애매한 물질에다가 도핑이라는 과정을 통하여 해당전류가 잘 흐르도록 처리하는 것이다.
▶도핑 : 전도성을 높이기 위해서 순수(진성) 반도체 물질에 불순물을 첨가한다.
** 실리콘이 게르마늄보다 반도체로 쓰이면 좋은점**
실리콘(Si)의 최외각 쉘은 3이며 게르마늄(Ge)의 쉘은 4이기 때문에 높은 에너지준위를 가지는것은 게르마늄이다. 이는 이온화가 쉽다는 것을 의미한다. 하지만 고온에서 게르마늄은 불안정성을 띄며 반면에 실리콘은 조절능력이 있기때문에 우리른 실리콘을 반도체물질로 사용하는것이다.
N형 반도체 : 진성실리콘에 5가 불순물(도너원자)을 도핑한것. 1개의 원자를 제공한다. AS(비소), Bi(비스무스), P(인), Sb(안티몬)
P형 반도체 : 진성실리콘에 3가 불순물(억셉트원자)을 도핑한것. 1개의 정공을 제공한다. (AI알루미늄), B(붕소), In(인듐), Ga(갈륨)
즉, N,P형 반도체는 화학적 안정상태를 추구하는 원자의 특성인 공유결합을 이용하여 가전자대역에서 각각 하나씩 전자나 정공을 인위적으로 남기게 함으로써 이를 전자를 운반하는 매개체 (캐리어)로 사용한 소자이다.
N형의 다수캐리어는 자유전자
P형의 다수캐리어는 정공 이 된다.
그래서 이제 P형과 N형의 반도체를 서로 접합시켜서 새로운 물질인 다이오드를 만들었다.
다이오드는 전류가 오직 한 방향으로만 흐르는 소자이다. <--단순히 이것은 특성이 아니며 위에서 설명한 반도체의 특성과 PN접합으로 인하여 그러한 특성을 지니게 된것이다.
▶ 다이오드의 생성 과정
1. P,N접합 (접합전 각 물질은 순전하 관점에서 중성이다)
2. 확산 : N영역의 자유전자가 P영역으로 넘어가게됨
3. 공핍영역 : N영역은 자유전자를 잃어서 양전하층을 만들고 P영역은 정공을 잃은 음전하가 음전하층을 생성시킴, 평형이 될때까지
진행된다
4. 장벽전위 : 평형된 공핍영역은 각각의 쌓인 전하들이 전기장(전계)을 생서시키고 이 전기장을 가로 지르기 위해서 그만큼의
에너지가 필요한데 이것이 양쪽 계의 전위차와 동일하고 이를 우리는 장벽전위라고 부른다.
5. 25도의 실리콘의 장벽전위 = 0.7V , 게리마늄 = 0.3V
▶ 다이오드의 바이어스 (바이어스란? 전자소자로 하여금 임의의 동작조건을 설정하기 위해 사용하는 직류전압)
: PN접합 양단에 외부 직류전압을 인가한다는 뜻이다.
[순방향 바이어스의 조건]
1. 아래의 그림을 보면 N영역에는 -전압을 P영역에는 +전압을 인가하였다.
2. 바이어스 전압이 장벽전위보다 높아야 한다.
● 그래서 순방향 바이어스가 될 때 아래의 그림과 같은 일이 발생하게 된다.
1) -극의 V바이어스가 N영역의 자유전자를 PN접합쪽으로 밀어낸다 (전자전류)
2) 그래서 연결된 외부전원을 통하여 -전자를 계속 공급해준다
3) V바이어스는 자유전자에 충분한 에너지를 공급하여 장벽전위를 기어오르게 하여 P영역으로 전자를 보낸다
4) P영역에 도착한 자유전자는 즉시 에너지를 잃고 가전자대역의 정공과 결합한다
5) V바이어스는 P영역의 왼쪽으로 가전자들을 잡아당긴다. (정공전류)
6) P영역을 벗어난 전자는 금속도체를 통해서 도체내의 전도전자가 되어(자유전자의미) V바이어스(+)쪽으로 흐른다.
● 만약 역방향 바이어스를 걸어주게 되면 아래의 그림과 같은 일이 발생하게 된다.
1) -극의 V바이어스가 P영역의 정공을 옮겨다니며 추가적인 음이온을 형성한다.
2) +극의 V바이어스가 N영역의 자유전자를 잡아당겨서 PN접합에서 멀어지게 만들며 N영역의 전자가 전압원의 (+)단자로 흐르면 N영역에 양이온이 추가로 형성된다
3) N영역과 P영역의 다수 캐리어의 공핍이 심해질수록 공핍영역은 넓어지며 전계의 세기는 강해진다
4) 공핍영역에 걸리는 전위가 V바이어스 전압과 같아질때 전계의 세기는 더이상 증가하지 않으며 작은 역방향 전류를 제외하고는 실제로 과도전류가 흐리지 않는다.
●역방향 전류
역방향 v바이어스를 걸었을 때 미세전류가 흐르는데 이 전류는 N영역에서 열적 생성된 전자-정공쌍의 소수반송자에 의한 것이다
1) P영역의 소수반송자(자유전자)가 (-) V바이어스로 인하여 PN접합쪽으로 밀린다
2) 더 높은 전도대역을 가지는 P영역으로 인하여 소수반송자는 공핍영역에서 미끄러짐이 발생한다
3) 공핍영역을 쉽게 통과한 자유전자는 N영역의 소수반송자(정공)과 결합하면서 V바이어스 전압의 +단자로 흐른다.
이렇게 하여 작은 미세전류 (정공전류)가 흐르게 되는 것이다.
그러나 외부의 역방향 v바이어스가 항복전압의 값까지 증가하게 되면 역방향 전류는 급격하게 증가하게 된다 = 애벌렌치 효과
이것은 P영역의 소수반송자인 자유전자에게 V바이어스가 많은 에너지를 공급함으로 전자를 가속시킨다. 그래서 가속된 전자는 원자와 충돌하게 되고 원자내의 가전자는 에너지를 받아 궤도밖으로 탈출하여 전도대역으로 올라간다. 이렇게 올라간 전자는 동일하게 높은 에너지를 가진 상태라서 또 다시 다른 원자와 부딪이며 이를 반복수행하게 된다. 따라서 전자의 수는 2배로 급속도록 증하게 되고 이들 전자는 N영역에서 정공과 재결하기보다는 전도전자로써 움직이게 된다.그리고 수반되는 발열현상으로 인하여 다이오드는 파괴된다. (전류제한 저항이 있다면 파괴되지는 않는다)
