도체와 절연체 중간의 전기적 성질을 갖는 고체
P형 반도체
인듐(In) 또는 갈륨(Ga) 등 양전하 캐리어수를 많게하는 불순물을 도핑한 반도체로 소수의 전자, 다수의 정공(양전하)이 존재한다.
N형 반도체
비소(As) 또는 안티몬(Sb) 등 음전하 캐리어수를 많게하는 불순물을 도핑한 반도체로 다수의 전자, 소수의 정공(양전하)이 존재한다.
PN접합 다이오드
P형 반도체와 N형 반도체를 서로 접합시킨 것..
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p-n접합이 처음 생성되면, N영역의 자유영역 전자들이 정공이 많은 P영역으로 확산된다. 자유 전자들이 정공과 결합한 후에는 정공은 사라지며 전자들은 더 이상 자유롭지 못하게 된다. 따라서 두 속성의 전하 캐리어들(정공과 전자)이 모두 사라지고, p-n 접합 주변 지역은 마치 부도체인 것처럼 동작한다. 이를 재결합이라고 한다. 하지만 소모층의 크기에는 한계가 있고 얼마 후에는 재결합이 끝난다. 이때 외부 전압을 다이오드 소모층에 생긴 built-in potential과 같은 극방향으로 걸어주면, 소모층은 계속해서 부도체처럼 동작하고 전류의 흐름을 막는다. 이와 반대로 built-in potential과 반대 극 방향으로 외부 전압을 걸어주면, 재결합을 다시 시작한다. 결국 p-n접합을 지나 상당한 양의 전류가 흐른다.
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 출처 : http://blog.naver.com/tksvo/150042527877 ///////////////////
P형과 N형 반도체를 서로 접합시키면 빈자리인 정공으로 전자가 들어가
최외곽 전자가 8개로 되어 전자가 이동할 수 없는 부도체 영역이 생긴다.
그렇다고 전부가 부도체로 되는 것은 아니다. 한번 부도체 층이 생기면
전자나 정공이 그 절연층을 통과 하지 못하므로 결합이 중단된다.
부도체 층을 이해하기 좋게 두껍게 그렸지만, 실제로는 미크론( μ :1/1000mm)
단위의 얇은 막 상태이므로 약간의 전압만으로도 무너진다. 실리콘으 로 만든
반도체는 약 0.6V (볼트), 게르마늄으로 만든 반도체는 0.2V(볼트)만 으로도
전자와 정공이 막(절연층)을 통과할 수 있다.
좀더 정확히 말하면, 전자와 정공이 결합한다는 것은, P형반도체 쪽은 균형상태에서
(+)인 정공이 사라졌기 때문에 점점 (-)전위를 가지게 되고, N형 반도체쪽은 (-)를
잃었기 때문에 점점(+)전위를 띠게 된다.
때문에 (+)인 정공이 (+)전위를 띠게된 N형 반도체쪽으로 가기 힘들고, (-)인 전자가
(-)전위를 띤 P형 반도체 쪽으로 가기 힘들어진다. 이 장벽을 전위장벽이라고 한다.
앞의 표현은 우선 쉽게 표현하기 위해서 절연층이라고 했다. 이 전위장벽을 넘어서
전류가 흐를려면은 0.2V ~ 0.6V의 전압이 필요하다.
이들 양쪽에 전극(전선을 잇기 위한 금속(도체)단자)을 달고 전압을 걸어보면
다음과 같은 현상이 생긴다.
먼저 아래와 같이 이어보면, 음양이 서로 당기는 이치에 의해 전자는 (+)극으로
정공은 (-) 극으로 끌려간다. 그 결과로 가운데의 부도체 영역만 늘어난다.
참고로 전자와 정공의 (-)전하와 (+)전하는 측정하기 어려울만큼 낮으므로 서로
당기지 못하고, 상대적으로 무척 높은 전지의 (+)와 (-) 쪽으로 끌려간다. 전 압이
높아질수록 절연층이 더 두터워지기 때문에 전류는 더욱 흐르지 않는다.
하지만 어떤 전압 이상이 되면 전체 절연층을 파손시키고 전극과 전극으로 전류가
흐르게 된다. 이 전압을 Break Down Voltage 라고 하며, 다이오드의 최대 역전압
정격이 된다.
이제 반대로 이어보면, 당기는 극성이 반대편에 있다. 물론 가까운곳에 정공은 전자가,
전자는 정공이 있지만 비교되지 않을 만큼 높은 (+)와 (-)가 있는쪽으로 끌려가게 된다.
저항기를 이어둔 이유는, 큰전류가 흐르는 것(합선:SHORT)을 막기위함이다. 건전지
전압이 1.5V 이고 저항값이 10 Ohm 이라면, 초기에 절연층을 넘어가기 위하여 0.6V 를
소비하고 나머지 0.9V의 힘으로 10 Ohm의 저항기를 지나게 된다.
전류(I) = 전압(V) / 저항(R) [A} 이므로 전류(I) = 0.9 / 10 = 0.09[A] 가 흐르게된다.
이때 저항기에서 열로 소비되는 전 력(W) 은 0.9[V] * 0.09[A] = 0.081[W]이다.
1초당 발열량은 0.24 x W [Kcal]이므로, 0.019 [Kcal] 즉, 19 [Cal] 이다.
같은 논리로, PN 접합 DIODE 에서 소비되는 전력은 0.6[V] * 0.09[A] = 0.054[W]이고
1초당 발열량은 0.24 x W [Kcal]이므로, 0.013 [Kcal] 즉, 13 [Cal] 이다. 결국 건전지가
소비하는 총전력은 둘을 더한 0.135 [W] 이고, 발생시킨 열량은 32 [Cal] 이다.
2극 진공관처럼 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 정 류기(DIODE)이다.
진공관과의 차이점은, 진공관은 높은 전압만 정류할 수 있고, PN접합 반도체
다이오드는 1V 미만의 낮은 전압부터 진공관 만큼 높은 전압도 정류할 수 있는것이다.
기호는 아래와 같다. 화살표 방향으로만 흐른다는 의미이다. 히터, 모타 등을 제외한
많은 전기제품은 직류를 사용한다. 당시 이 다이오드 덕분에 3극, 4극, 5극 진공과 같은
역할을 하는 전류제어용 반도체 소자만 만들면 낮은 전압으로 동작하는 제품을 만들 수
있다고 생각하고 힘내어 연구하기 시작 했을 것이다.
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