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1. 개요
다이오드는 반도체 소자로서 전기 회로나 전자 회로에서 중요한 역할을 합니다.
저항기가 전류의 흐름을 제한하는 passives(수동) 소자라면, 반도체 다이오드는 전류를 제어하고 조절하는 능동(Active) 소자로 간주됩니다.
다이오드는 전류의 방향을 특정 방향으로만 허용하여 전기적인 단방향 밸브와 같은 역할을 합니다.
다이오드는 P-영역과 N-영역으로 구성된 반도체 소재에서 만들어집니다.
P-영역은 양극성이고 N-영역은 음극성입니다. 두 영역 사이에는 공핍 영역(Depletion Region)라고 불리는 영역이 형성됩니다.
이 영역은 양극성과 음극성 이온 사이에 발생하는 전하 밀도의 차이로 인해 생성되며, 전류의 흐름을 제한하는 역할을 합니다.
다이오드의 특성은 인가된 전압에 따라 선형적으로 변화하는 것이 아니라, 지수적인 I-V 관계를 가집니다.
따라서 다이오드의 동작은 간단한 저항기의 오옴의 법칙으로 설명하기 어렵습니다.
반도체 도핑은 반도체 소재에 다른 원자를 첨가하여 전기적 특성을 변경하는 과정입니다.
이러한 반도체 도핑은 주로 실리콘이나 게르마늄과 같은 반도체 소재에 수행됩니다.
반도체 도핑에 사용되는 불순물은 원자가 추가 전자를 제공하거나 받아들이는 데 사용되며, 이에 따라 N-형 및 P-형 반도체를 형성합니다.
반도체 도핑은 전자 및 홀의 밀도를 조절하여 반도체의 전기적 특성을 제어하는 데 중요한 역할을 합니다.
반도체 소재는 전도체와 절연체 사이에 위치하며, 전도도 값이 중간 정도인 소재를 의미합니다.
이러한 소재는 전자의 이동을 일정 부분 허용하면서도 일정한 정전압을 유지합니다.
이러한 특성을 이해하는 것이 다이오드와 다른 반도체 소자의 동작 원리를 이해하는 데 중요합니다.
참고로 전도체는 전기가 자유롭게 흐를 수 있는 물질이고, 절연체는 전기가 흐르지 않는 물질입니다.
반도체는 양전자와 전자의 이동을 가능하게 하는데, 이러한 특성은 다이오드 및 다른 반도체 소자의 동작에 중요한 역할을 합니다.
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2. 에너지 밴드 구조와 반도체 도핑
다이오드는 전자 설계 회로에서 주요한 active 부품이며, 저항은 전자 설계 회로에서 주요한 passive 부품입니다.
전자 회로에서 사용되는 주요 소재는 절연체, 반도체 및 전도체입니다.
이러한 소재는 전기적 특성에 따라 분류됩니다.
전기 저항은 물질이 전기 전류의 흐름을 얼마나 효과적으로 제한하는지를 나타내는 측정치입니다.
전기 저항의 단위는 옴 미터 [Ωm]입니다.
전기 저항이 낮은 물질은 전기적으로 효율적으로 이동할 수 있음을 나타냅니다.
반도체는 절연체와 전도체 사이에서 중간 수준의 전기 저항성을 가지는 물질입니다.
이러한 물질은 좋은 절연체도 좋은 전도체도 아닙니다.
결정 격자에 있는 원자들이 서로 밀착되어 있어서 자유 전자가 적습니다.
반도체의 예로는 실리콘과 게르마늄이 있습니다.
2-1) 고체의 에너지 밴드 다이어그램
고체의 에너지 밴드 다이어그램은 고체 물질 내에서 전자의 에너지 상태를 보여주는 도표입니다.
이 다이어그램은 전자가 가질 수 있는 여러 에너지 수준을 나타내며, 이러한 에너지 수준은 전자의 움직임과 전기적 특성을 결정합니다.
에너지 밴드 다이어그램은 보통 이러한 세 가지 영역으로 나뉩니다.
- 전자 에너지 대 열적 에너지 대 전도 대역 (Conduction Band): 전자가 높은 에너지 수준에서 움직이는 영역입니다.
전도 대역에 있는 전자는 전기 전류에 기여할 수 있습니다. - 가장자리 대 에너지 밴드 갭 (Band Gap): 전자가 가질 수 있는 에너지 높이의 차이를 나타냅니다.
이 갭이 크면 전도성이 낮아지며, 이것이 절연체의 특성을 결정합니다. - 에너지 밴드 (Valence Band): 전자가 가장 낮은 에너지 상태에 있을 때의 영역입니다.
이 영역에 있는 전자는 전기 전류에 기여하지 못하며, 이전 밴드인 전도 대역으로 이동하기 위해 에너지를 흡수해야 합니다.
에너지 밴드 구조는 전자의 이동과 전기 전도, 열 전도, 광전자 효과 등과 관련된 많은 물리적 현상을 설명하는 데 사용됩니다.
2-2) 반도체 도핑의 과정
반도체 도핑은 진성 반도체에 3가 또는 5가 불순물을 첨가하여 전자 혹은 정공의 수를 증가시키는 과정을 도핑(doping)이라 하며, 불순물이 도핑된 반도체를 불순물(Extrinsic) 반도체라고 한다.
모든 반도체에서 일반적으로 발생하는 과정으로, 주로 실리콘이 전자 장치에서 널리 사용되기 때문에 실리콘을 사용한 예제로 설명되는 경우가 많습니다.
반도체 도핑은 속성을 변경하기 위해 내재된 반도체에 불순물을 도입하는 과정으로, “내재된(intrinsic)” 및 “외재된(extrinsic)” 두 가지 유형의 반도체를 생성합니다.
“내재된(intrinsic)” 반도체는 일부 자연 발생 반도체 물질과 같은 자연 발생 반도체 물질로, 전자 및 정공의 농도가 극히 낮습니다.
이들은 전적으로 열 또는 광 자극에 의해 전자를 발발시켜 이동성을 가진 전자를 이동시킴으로써 전도대에서 활동하게 됩니다.
예시로는 IV족 고체 열 (C, Ge, Si, Sn)이 있습니다.
도핑되지 않거나 자연발생 반도체는 전기 절연이 나쁘며 어느 정도 전기를 전도합니다.
반도체 도핑은 내재된 반도체에 3가 또는 5가 원자를 도입하여 반도체를 만드는 전통적인 방법입니다.
예를 들어, 탄소 (Group IV)를 비소화물 (Group V)로 도핑하는 것입니다.
반도체 도핑은 반도체의 전자 및 정공의 수를 변화시키는 것을 가능하게 하며, Group IV 원자가 Group V 원자로 도핑 될 때 음전하 (N-형) 재료와 Group IV 원자가 Group III 원자로 도핑 될 때 양전하 (P-형) 재료가 생성됩니다.
대부분의 반도체 재료는 네 개의 가원자 및 네 개의 외전자를 가지고 있습니다.
그러나 아스펜 같은 다섯 개의 가원자를 가진 원자를 네 개의 외원자 반도체인 실리콘에 더하는 것은 도핑된 반도체에 흥미로운 속성을 부여합니다.
도핑 된 반도체는 도피되지 않은 반도체보다는 전도체에 더 가까운 속성을 나타냅니다.
또한 알루미늄과 같은 세 개의 전자 원자로 반도체를 도피 할 수 있습니다.
알루미늄은 결정 구조에 맞게 들어가지만 시스템에는 이제 전자가 없습니다.
이것을 홀이라고합니다.
이러한 점을 이용하여 전자 도핑 반도체 (N-형)와 홀 도핑 반도체 (P-형)를 결합하면 다이오드가 생성됩니다.
다른 조합은 트랜지스터와 같은 장치를 개발합니다.
이렇게 다양하게 도핑 된 반도체를 동일한 장치 내에서 서로 다른 반도체 도핑의 다양한 속성을 이용하면 이러한 “외재된(extrinsic)” 반도체는 매우 중요하며 다양한 장치 (FET, LED, CCD, 집적 회로 등)가 생성됩니다.
P 및 N-형 재료의 특성에 따라 다양한 기술에서 필요한 다양한 물성을 얻을 수 있도록 반도체를 사용할 수 있게 됩니다.
3. n-Type의 반도체
3-1) N-type 반도체?
실리콘 결정이 전기를 전도하기 위해서는 실리콘 구조에 비소, 안티몬, 혹은 인과 같은 불순물 원자를 첨가해야 합니다.
이러한 불순물 원자들은 다섯 개의 외부 전자를 가지고 있어 주변 실리콘 원자와 공유할 수 있습니다.
이러한 원자들은 일반적으로 “다섯 개의 외부 전자를 가진” 불순물이라고도 합니다.
결과적으로 각 불순물 원자는 네 개의 전자를 주변 실리콘 원자와 결합하여 하나의 “자유 전자”를 생성합니다.
이 자유 전자는 전기 전압이 인가될 때 이동하게 됩니다.
불순물 원자가 전자를 “제공,donates”함으로써, 이러한 원자들은 일반적으로 “도너,donors”로도 알려져 있습니다
안티몬(Sb)와 인(P)은 실리콘 반도체에 자주 첨가되는 다섯 개의 원자입니다.
안티몬는 핵 주변에 다섯 개의 전자를 가진 원자로 구성되어 있으며, 가장 외부 전자 궤도에는 다섯 개의 전자가 존재합니다.
이것은 외부 쉘에 있는 다섯 개의 전자가 주변 원자와 공유되기 때문에 가능합니다.
결과적으로 반도체 기본 물질은 전자의 과잉을 가지고 있게 됩니다.
이러한 전자는 전류를 전달하는 주요 캐리어로 작용하며, 반면에 홀은 전자가 결합되지 않은 상태로 남은 양성 전하를 의미합니다.
이러한 홀은 전자의 부족으로 인해 형성되며, 소수 캐리어로 알려져 있습니다.
이러한 프로세스는 반도체의 전기적 특성과 전류 전달을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
외부 전원으로 자극을 받으면, 실리콘 원자에서 해방된 전자들은 빠르게 안티몬 원자에서 사용 가능한 자유 전자로 대체됩니다.
그러나 이 과정은 여전히 추가 전자가 불순물로 둘러싸인 결정 내에서 떠다니게 만듭니다.
결국, 반도체 물질은 기부자 밀도가 수용자 밀도보다 큰 경우에 N 형으로 분류되며, 이는 홀보다 전자가 더 많기 때문에 음극을 만들어 냅니다.
3-2) 안티몬 원자와 반도체 도핑
아래의 다이어그램은 도너 불순물 원자 안티몬의 구조와 격자를 보여줍니다.
4. p-Type의 반도체
4-1) P-type 반도체?
불순물이란 결정 구조에 포함되어 있는 원자 중에서 외부 전자를 더 가지고 있는 원자를 의미합니다.
이러한 불순물을 반도체 내부에 도입함으로써 반도체의 전기적 특성을 변경할 수 있습니다.
우선, “삼중원자” 불순물은 외부 전자를 세 개만 가진 원자입니다. (예를 들면, 갈륨, 붕소, 인듐 등)
이 세 개의 외부 전자는 결정 구조에서 네 번째 결합에 참여할 수 없기 때문에 결합이 완전하지 않습니다.
이는 실리콘 결정 구조에 구멍을 만들게 됩니다.
이 구멍은 주변의 전자를 끌어들이고, 이전자는 그 구멍을 채우기 위해 이동합니다.
하지만 이동하는 전자는 다시 다른 구멍을 생성하며, 이 과정이 반복됩니다.
이렇게 전자의 이동과 구멍의 생성이 결합된 결과는 전류가 흐르는 것처럼 보이는 양성 전하를 만들어냅니다.
결과적으로, 삼중원자 불순물을 도입함으로써 반도체 내부에는 양성 전하인 구멍이 많아지게 됩니다.
이는 전자가 부족한 상태를 만들어내고, 반도체 전체가 양극으로 작용하게 됩니다.
삼중원자 불순물은 전자를 받아들이는 성질을 가지고 있기 때문에 “수용체,Acceptor”로 알려져 있습니다.
이는 반도체 구조 내에서 추가 전자를 받아들일 수 있는 능력을 나타냅니다.
따라서, 삼중원자 불순물이 추가되면 반도체는 P형 반도체로 분류되며, 구멍이 전자보다 많이 존재하는 상태가 됩니다.
4-2) 붕소 원자와 반도체 도핑
아래 다이어그램은 수용체 불순물 원자인 붕소의 구조와 격자를 보여줍니다.
5. n-type vs. p-Type의 반도체
| 특성 | N-type 반도체 | P-type 반도체 |
|---|---|---|
| 불순물 원자 유형 | Donors (5가 불순물 원자) | Acceptors (3가 불순물 원자) |
| 불순물 원자 전하 | 양 전하 | 음 전하 |
| 자유 전자 수 | 많음 | 적음 |
| 홀의 수 | 적음 | 많음 |
| 도핑 효과 | 양전하를 가진 Donors 음전하를 가진 자유 전자 | 음전하를 가진 수용체(Acceptors) 양전하를 가진 홀 |
| 에너지 공급 효과 | 음전하를 가진 자유 전자 양전하를 가진 홀 | 양전하를 가진 홀 음전하를 가진 자유 전자 |
N-형 반도체
- 5가의 불순물 원자(Donors)가 첨가됩니다.
- 주요 전하는 전자입니다.
- 소수 전하는 홀입니다.
- 반도체 도핑은 양전하를 가진 기부자와 음전하를 가진 자유 전자를 도입합니다.
P-형 반도체
- 3가의 불순물 원자(수용체)가 첨가됩니다.
- 주요 전하는 홀입니다.
- 소수 전하는 자유 전자입니다.
- 반도체 도핑은 음전하를 가진 수용체와 양전하를 가진 홀을 도입합니다.