반도체와 다이오드란 무엇인가?(중간고사 대체용)

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반도체와 다이오드란 무엇인가?(중간고사 대체용)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 반도체란 무엇인가

2. 반도체 개요

3. 반도체 종류

4. 반도체 성질

5. 다이오드
- p-n접합
- 다이오드 구조, 전기적 특성
- 다이오드 종류

본문내용

과
자계내에서 도체 또는 반도체의 전류를 흘리고 자계와 직각 방향으로 놓으면 플래밍의 왼손 법칙에 의해 캐리어가 힘을 받아 한쪽으로 쏠리는 현상이다. 홀 효과에서 발생하 는 전압의 극성은 P형과 N형이 반대가 된다.
(2)홀 전압 : 홀효과에 의해 발생되는 전압을 홀 전압이라 한다.
(d: 고체의 두께(m), B: 자속 밀도 (Wb/m3), I: 전류(A), R: 홀 상수(m3/C))
다이오드
p형 반도체와 n형 반도체에 어떤 전압을 인가하면 결정체 내에서는 어떤 다른 방향보다 어느 한 방향으로 전류를 더 잘 흐르게 할 아무런 이유도 없으므로 전압의 극성이 바뀌면 전류의 방향도 동시에 바귈 것이며 같은 크기의 전류가 반대방향으로 흐를 것이다. 그러나 p형 반도체와 n형 반도체를 붙여놓으면 어떻게 될까? 이러한 구조는 p형 반도체에서 n형 반도체로 전류의 흐름에는 아주 작은 저항을 가지나 n형 반도체에서 p형 반도체로 전류의 흐름에는 아주 큰 저항을 가진다. 실제로 모든 비선형 반도체소자의 기본 구조는 p-n접합에 근거를 두므로 p-n접압의 성질을 잘 이해함은 매우 중요하다.
1. P-N접합
하나의 결정 내에서 p영역과 n영역이 접촉되어 있을 때 이것을 P-N접합이라고 한다. 이 접촉부를 경계로 하여 억셉터 밀도와 도우너 밀도가 갑자기 변화하는 것을 계단 접합이라고 한다. 엄밀히 말하면 실제로는 이와 같은 계단 접합은 없으며, 불순물 밀도는 어떠한 기울기를 갖고 변화는 것이 보통이지만 합금 접합에서는 계단 접합에 가까운 상태로 실현되고 있는 것으로 생각된다. 성장접합에서는 P형에서 N형으로 변화는 완만하다. 여기서는 주로 게단 접합에 대해 생각하기로 한다.
그림 6. p-n 접합
그림 에는 p-n접합의 물리적 구조를 보인 것이다. p-n 접합에서 p형 영역에 있는 억셉터 불순물은 전자밀도보다 많은 정밀밀도를 만든다. 즉 p형 반도체는 상온에서 다수의 정공과 소수의 전자를 가지고 있는 것이다. 이들 정공의 대부분은 가전자대역의 전자가 억셉터 준위로 이동하는 것에 의하여 생긴 것이고, 극히 소수의 정공이 가전자대의 전자가 금지대를 넘어 전도대역으로 이동함으로써 생긴 것이다. 따라서 p형 반도체에서는 정공을 다수캐리어라고 하고, 전자는 소수캐리어가 된다. 또 n형 영역의 도우너 불순물은 그곳에서 전자밀도가 우세하게 된다. 즉, n형 반도체에서는 상온에서 다수의 전도전자를 가지는데, 이 전자는 대부분 도우너 준위에서 전도대역으로 이동한 것이고, 소수의 전자는 가전자 대역에서 금지대를 넘어 전도대역으로 이동한 것이다. 그러므로 n형 반도체는 전자가 다수 캐리어이고 정공이 소수캐리어이다. p-n 접합에서 정공밀도와 접합면 가까이에 있는 전도밀도 사이에서 밀도기울기가 생겨 정공들은 p형 영역에서 n형 영역으로 확산하고, 전자들은 n형 영역에서 p형 영역으로 확산하려고 한다. 즉, p측의 홀 밀도는 측의 홀 밀도보다 커서 홀은 접합면을 통하여 p측에서 n측으로 확산하여 가고, n측의 전자밀도는 p측의 전자밀도보다 커서 전자는 n측에서 p측으로 확산하여 가는 것이다.
2. 다이오드 구조와 전기적 특성
오늘날 우리가 사용하는 대부분의 다이오드들은 플래너 기법으로 만들어진다. 다이오드의 기본구조는 그림 7과 같이 p-n 접합으로 이루어지고 있으며 각 반도체 영역의 끝단에는 AI 금속 전극이 붙어있다.
그림 7. 플래너기법으로 만들어진 p-n 접합다이오드
이와 같이 다이오드는 2극 구조를 가지며 p-영역에 붙어있는 전극을 아노드(anode), n-영역에 붙어있는 전극을 캐소드(cathode)라고 한다. 그림 7의 p-n접합다이오드는 소자제작에서 n+-기판으로부터 n-에피성장기술과 p-확산기술을 이용하여 만들어지며 금속과 접촉을 이루지 않는 반도체의 표면은 양질의 절연막(SiO2)으로 덮여있다. 소자제작에서 n+-기판을 사용함은 다이오드의 직렬저항을 줄이고 금속과 반도체 간의 긴밀한 오옴성 접촉을 이루기 위해서이다. p-n접합 다이오드의 전류-전압 특성은 식에서 나타나며 그림 8에서는 si p-n접합 다이오드의 일반적인 전류-전압 특성을 보여주고 있다.
그림 8. p-n 접합다이오드
의 일반적인 전류- 전압 특성곡선
그림 8에서 전류-전압 특성은 합복영역을 제외하고는 식에 의해 잘 설명된다. 역바이어스의 상태에서는 항복영역에 이르기 전까지 수 nA정도의 일정한 역포화 전류가 흐르고 순바이어스 상태에서는 전압에 따라 지수함적으로 증가하여 0.7V의 작은 전압에서도 매우 큰 전류가 흐름을 알 수 있다. 다이오드에 역바이어스 전압을 계속적으로 증가시키면 어느 순간 역방향 전류가 급증하게 되는데 이를 다이오드의 항복현상이라고 한다. 항복현상에 대한 구체적인 논의는 여기서 생략하기로 한다. 결과적으로 다이오드는 순방향으로 전류를 잘 흘려주고 역방향으로는 항복영역에 이르기 전까지 전류를 거의 흘리지 않으므로 주로 정류기(rectifier)에 사용되며 항복현상은 전압조정기 등에 이용된다. 그림 9(a)는 상업용 다이오드의 실물 사진이며, 그림 9(b)는 다이오드의 회로기호이다. 상업용 다이오드에는 전류의 방향을 표시하는 화살표나 캐소드쪽에 줄무늬가 그어져 있어 다이오드의 극성을 구별할 수 있다.
그림 9. 캐소드 쪽에 줄무늬가 그어져 있는 실물 다이오드와 회로기호
3. 다이오드의 종류
1) 정류 다이오드 : 교류를 직류로 변환할 때 응용
2) 스위칭 다이오드 : 고속 on/off 특성을 스위칭에 응용
3) 정전압(제너) 다이오드 : 정전압 특성을 전압 안정화에 응용
4) 가변용량 다이오드 : 가변용량 특성을 FM변조 AFC동조에 응용
5) 터널(에사키)다이오드 : 등저항 특성을 마이크로파 발진에 응용
6) MIES(쇼트키)다이오드 : 금속과 반도체의 접촉 특성을 응용
7) 발광(LED)다이오드：발광 특성을 응용하여 display장치로 사용
8) 수광(포토)다이오드 : 광검출 특성을 응용하여 광센서로 사용
9) 바리스터 다이오드 : 트랜지스터의 출력단의 온도 보상에 주로 사용
* 참고 문헌: 장지근 외 4명, 『핵심 반도체 개론』 , 청문각, 2004
이영종 , 『기초전자공학』, 복두출판사, 2003

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