[1주 차] - 수업 개요, 반도체(Semiconductor)의 이해

    과목명 : 전자회로 설계(Electronic circuit design)

수업일자 : 2022년 08월 30일 (화)

 

1. 수업 역량

(1) 실험과정 중 발생하는 문제 해결 능력 배양

(2) ORCAD / P-Spice 사용 능력 배양

(3) 설계과제 목표 설정 및 달성을 위한 인원들과의 협동 능력 배양

 

 

 

2. Content

Part 1. P-N 접합 다이오드

Part 2. BJT Amplifier

Part 3. MOSFET Amplifier

Part 4. 연산 Amplifier

Part 5. 응용 회로

 

 

 

3. 반도체(Semiconductor)

3-1. 정의

- 반도체란, 상온에서의 전기 전도율이 구리와 같은 도체와 유리, 고무와 같은 부도체 사이의 중간인 물질을 의미합니다.

 

- 전기 전도율(Electrical Conductivity) : 물질에서 전류가 얼마나 잘 흐를 수 있는지 나타낼 수 있는 물리량

 

 

 

3-2. 반도체 소자(Semiconductor device)

- 반도체 소자 또는 솔리드 스테이트 소자(Solid State Device)는 전자공학에서 반도체의 전기 전도 특성을 이용하여 만든 전자 회로나 비슷한 장치에 쓰이는 부품을 의미합니다. 대표적으로는 다이오드, 트랜지스터, 집적 회로가 있습니다. 오늘날 반도체라고 하면 3-1에서의 물리적인 정의보단 위와 같은 반도체 소자를 반도체라고 부르는 경우가 많습니다.

 

 

 

 

4. 반도체가 만들어지는 과정

- 오늘날 대부분의 반도체는 실리콘(Si, 규소)를 주 원료로 사용하고 실리콘 결정에 불순물을 도핑하여 만들어지게 됩니다.

 

- 실리콘 결정에 불순물을 도핑하지 않은 반도체를 진성 반도체라고 합니다. 하지만 실리콘 원자로만 이루어진 진성 반도체는 전기 전도율이 매우 낮은 편이기에 전류를 흐르게 할 수 있는 캐리어 능력이 좋지 않은 편이고 반도체의 전기 전도율을 상승시키기 위해 실리콘 원자 사이에 불순물(13족, 15족 원소)을 적절히 첨가하여 전기 전도율이 굉장히 좋은 N형 P형 반도체를 만들 수 있게 된 것입니다. 아래에서 다시 한 번 더 정리하도록 하겠습니다.

 

- 반도체는 외부의 에너지(열, 빛, 자장, 전압 또는 전류)의 영향을 받아 전기 전도율이 변화하고, 불순물의 종류, 첨가 정도에 따라 전기 전도율이 급격하게 변화하게 됩니다.

 

- 불순물의 도핑, 외부의 에너지 제어를 통해 반도체의 전기 전도율을 쉽게 조절할 수 있게 되었고 이러한 주요 특성 덕분에 오늘날 반도체는 전기, 전자 산업 분야에서 중추적인 역할을 수행할 수 있게 되었습니다.

 

 

 

 

5. P형 반도체, N형 반도체

5-1. P형 반도체(Positive-type semiconductor)

- 14족 원소로 이루어진 진성 반도체에 13족 원소인 분소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등을 도핑한 반도체

 

- 원리 : 13족 원소는 3개의 최외각 전자를 보유하며 14족 원소와 공유결합을 함으로써 전자가 들어갈 수 있는 공간인 정공(Hole)이 생성됩니다. 

 

- 이러한 정공을 통해 전자가 움직일 수 있는 공간이 형성되면서 전자의 이동(전류)이 수월해지게 됩니다.

- 정공의 영향으로 양전하를 성질을 갖게 되고, "Positive"의 앞 글자를 따서 P형 반도체라고 합니다.

 

- 이때 전류를 흐르게 하는 원인인 다수 캐리어(Majority carrier)는 정공이고, 결합이 약해지면서 발생하게 되는 자유전자를 소수 캐리어(Minority carrier)라고 합니다.

 

 

 

5-2. N형 반도체(Negative-type semiconductor)

- 14족 원소로 이루어진 진성 반도체에 15족 원소인 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등을 도핑한 반도체

 

- 원리 : 15족 원소는 5개의 최외각 전자를 보유하며 14족 원소와 공유결합을 함으로써 하나의 자유전자가 생깁니다. 이러한 자유전자가 이동함에 따라 전류가 흐를 수 있게 됩니다.

 

- 이때 전자는 음전하의 성질을 갖고 있으므로 "Negative"의 앞 글자를 따서 N형 반도체라고 합니다.

 

- N형 반도체는 수가 많은 전자가 다수 캐리어(Majority carrier)가 되고 정공이 소수 캐리어(Minority carrier)가 됩니다.

 

 

 

 

 

5. 능동 소자와 수동 소자

5-1. 능동 소자(Active component) 

- 앞서 배운 반도체를 이용한 대표적인 반도체 소자(다이오드, 트랜지스터)가 대표적인 능동 소자입니다.

- 전기를 가한 행위만으로 입력과 출력에 일정한 관계를 가질 수 있고, 전원으로부터 에너지를 사용하여 신호의 에너지를 발생시키거나, 신호를 변화, 증폭을 발생시킬 수 있는 소자를 능동 소자라고 부릅니다.

 

5-2. 수동 소자(Passive component)

- 저항, 인덕터, 커패시턴스 등 신호의 증폭이나 변화, 전기 에너지 변환과 같은 능동적인 기능을 가지고 있지 않고, 단순히 에너지를 소비, 축적시키는 역할과 같이 수동적인 역할을 담당하고 스스로 특정한 작업을 수행할 수 없는 소자를 의미합니다.

 

 

 

- 학부에서 수강했던 전공 수업 내용을 정리하는 포스팅입니다.

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