시작하기전에 트랜지스터란 Trans+resistor에서 나온 단어입니다. 저항을 맘대로 바꾸어 줄 수 있다. 즉 전기를 증폭하거나 신호를 키고 끄는데 효과적인 소자입니다. 인류에게 있어 손꼽는 발명품이기도 합니다. 트랜지스터는 주로 전계효과소자( FET) 쌍극성 접합 트랜지스터 (BJT)를 위주로 배웁니다.
Bipolar junction transistor은 BJT로 많이 불리는 소자입니다. PNP나 NPN 접합으로 이루어져 있고 가운데의 좁은 영역은 베이스, 바깥쪽의 두 영역은 이미터와 컬렉터라고 불리는데요, 이미터는 컬렉터에 비해 고농도로 도핑되어있습니다. BJT는 이름 그대로 전자와 양공을 이용합니다.
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그림을 보면 이미터의 전류가 베이스 전류와 컬렉터의 전류의 합이라는 것을 알 수 있습니다. EB사이에는 정방향이 흐르고 C-B접합에서는 역방향이 흐른다는 것을 알 수 있습니다만, 이는 바이어스 모드가 활성 모드일 때이고 동작모드에 따라 바이어스가 달라집니다.
다음은 바이어스에 따라 동작모드를 나타냈습니다. 포화 차단 영역에서는 스위칭으로 활성 영역에서는 증폭기로 쓰이게 됩니다.
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BJT는 MOSFET과 달리 전자와 정공 둘다 전류에 기여를 하고, 주로 전류증폭 기능위주로 사용됩니다.
1번 게시글에서 p형 다이오드와 n형 다이오드에 대해서 보았습니다. pn 다이오드는 말 그대로 p형과 n형의 결합입니다. 다이오드는 한방향으로 전류를 흐르게 하는 소자로 회로 구성에 있어 굉장히 중요한 소자중 하나입니다.
p형과 n형을 결합하게 되면 N형쪽보다 P형쪽에 정공이 많기에 정공은 P형에서 N형으로 확산( DIFFUSION)을 시작합니다. 전자 역 시 마찬가지입니다. 결과적으로 p형과 n형 접합부근에 도너들과 억셉터들이 공간적으로 고정이 됩니다. 이를 공핍영역이라고 부르고 이 영역에서 캐리어 농도가 매우 감소됩니다.
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pn 접합 다이오드 - 이상적인 i-v 특성
이상적으로 다이오드에서 순방향으로 전압을 걸어주게 된다면, 전류가 엄청나게 잘 흐르는 것을 알 수 있습니다. 이는 우리가 에너지 대역도에서 P형과 N형 사이의 전위언덕을 감소시키는 것으로 생각하면 됩니다.
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위처럼 P형과 N형 사이 에너지 언덕이 줄어들게 됩니다. 그러나 역방향으로 걸어주게 된다면, 에너지 언덕이 높아지기에 전류가 역방향으로 아주 조금 흐릅니다.
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따라서 위 그림처럼 그래프를 그릴 수 있겠습니다. 한편 브레이크다운 부분을 보시면 갑자기 큰 역전류가 흐르는 것을 알 수 있습니다. 이는 이상적인 다이오드가 아니어서 그렇습니다. 이를 항복 이라고 부릅니다. 이 항복전류를 활용해서 만든 다이오드들이 있습니다.
다이오드의 종류
1. 제너 다이오드: 제너다이오드는 역방향 바이어스에서항복 전압 이상이 되면 역방향의 항복 전류가 흐르는 것을 이용하는 다이오드가정전압 다이오드입니다. 마치 역방향 전압을 순방향 전압처럼 사용합니다. 제너다이오드는 전류가 변해도 전압이 거의 일정하게 됩니다. ( BREAKDOWN GRAPH 확인) 따라서 안정한 전압을 주고자 할 때 사용합니다.
2. 쇼트키 다이오드: 쇼트키 배리어 다이오드는 금속과 반도체와의 접합을 통해 발생하는 쇼트키 배리어를 이용한 다이오드입니다. 주로 스위칭 다이오드로 많이 사용됩니다. 순방향 전압 강하가 낮기 때문에 스위칭 손실이 다른 다이오드보다 적습니다.
로옴
다이오드는 전력변환회로에 있어 필수적인 소자입니다. 다음에는 쌍극성 접합소자를 이야기하겠습니다.
캐리어의 움직임 원인은 두가지가 있습니다. 주로 표동과 확산이 있는데요. 표동부터 보겠습니다
1. 표동
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표동은 가해진 전기장에 따른 전하를 가진 입자들의 움직임 입니다. 즉 전계가 걸렸을 때 캐리어에 힘이 가해지게 되는 것입니다. 에너지 대역도에서 물질내에 전기장이 존재하게 된다면 대역 에너지는 위치의 함수가 됩니다. 이를 통해 전계와 전압을 계산할 수 있습니다. 간단하게 다루기 때문에 생략하겠습니다.
2. 확산
확산은 입자들의 불확정적인 열에 의한 움직임의 결과로 퍼져나가거나 재배치 되는 경향입니다. 이에 높은 입자밀도의 영역에서 낮은 입자밀도로 이동하게 됩니다.
따라서 총 전류를 계산할 떄에는 DIFFUSION과 DRIFT를 동시에 계산해야합니다. 반도체 내에서 전체 전류는 표동과 확산의 결합입니다.
반도체를 간단히 말하자면, 전기전도도가 도체와 부도체 사이인 물질을 뜻합니다. 더 간단히 말하자면 조건에 따라 전류가 흐르기도 안흐르기도 할 수 있는 물질을 반도체라고 합니다. 그럼 왜 중요할까요? 저희가 사용하는 컴퓨터는 0과 1로 구성되어 있습니다. 더 정확하게 말하자면 얼만큼 전류가 흐르냐에 따라 1과 0으로 구분합니다. 즉 전류의 흐름이 정보 저장부터 에너지 전달까지 모든 곳에서 엄청나게 중요합니다. 이를 조절하고 가능하게 하는 물질로 반도체를 주로 사용하는 것입니다.
반도체는 주로 Si, Ge, GaAs,ZnSe등의 원소 구성을 보이는데 현재는 실리콘이 제일 많이 반도체에 사용됩니다. 앞서 언급한 다른 원소의 반도체들은 주로 고속 고온 특수한 경우에 더 많이 사용됩니다. 실리콘은 성능도 좋은데다, 모래에서 얻을 수 있는 물질이라 만들기 정말 쉽습니다. 흔히들 반도체가 비쌀거라 생각하는데 오히려 인덕터보다 저렴합니다.
반도체 모델에는 결합 모델과 에너지 대역 모델이 있습니다. 수업에서는 사건의 에너지를 표현하기 위해서 에너지 대역 모델을 더 많이 사용합니다. 에너지 대역 모델에 대한 추가적인 설명은 하지 않겠지만 반도체는 전도대역과 가전자대역의 차이가 도체보다는 크고 부도체보다는 작습니다. 에너지 대역모델로 반도체를 설명하면 주로 이런식으로 설명을 많이 합니다. 흔히 실리콘 반도체는 1.12ev정도입니다. 고등학교때에는 최외각전자띠 라는 것을 배웠습니다. 반도체는 여러 원자들의 결합이기에 띠들이 마치 대역처럼 영역을 만듭니다. 가장 외각에 있는 대역을 가전자대역이라고 하고 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 대역을 전도대역이라고 하는 것 입니다. 아래 그림에서 가전자대역을 valence band, 전도대역을 conduction band라고 합니다.
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캐리어 모델링
반도체 내에서 전류를 운반하는 것을 캐리어 라고 합니다. 전도대역으로 올라간 전자가 캐리어가 되어 전류를 형성합니다. 기존 끈끈하게 결합되어 있는 원자들끼리에서는 캐리어가 발생하지 않지만 그 결합이 깨지거나 하면서 전자가 전도대로 올라가고 전류가 흐르게 되는 것 입니다. 한편 전자가 나온 빈 공간을 마치 가전자대역에서 어떤 빈공간이 움직이는 것처럼 묘사할 수도 있습니다. 이를 정공이라고 합니다.
진성반도체란 무시할 만한 양의 불순물 원자만을 갖는 극히 순수한 반도체 샘플을 일컫는 말입니다. 이 곳에서 캐리어는 전자와 정공의 농도가 똑같습니다. 이제 도핑이라는 것을 합니다. 도핑이란 전자나 정공의 농도를 높이기 위해서 특별한 불순물원자의 양을 조절하여 넣는 것을 말합니다. 전자의 농도를 증가하기 위해서 인, 비소 등을 넣고 정공의 농도를 증가시키기 위해 붕소나 칼륨 알루미늄 원자등을 순수한 Si에 넣고 합니다.
농도를 증가시키게 된다면 즉 도핑을 한다면 전류를 흐르게 하는 캐리어의 양이 많아지기 때문에 훨씬 전류가 잘 흐르게 됩니다. 이에 모든 반도체들은 대다수 도핑을 합니다. 전자농도를 증가시키는 불순물 원자를 도너라고 하고 정공농도를 증가시키는 불순물 원자를 억셉터라고 합니다.
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그림을 본다면 왼쪽은 pure silicon (순수한 반도체) 이며 p-type은 Boron ( 붕소) 를 추가하여 정공 농도를 증가시켰습니다. 이에 실리콘과의 결합에서 정공이 생긴 것을 볼 수 있습니다. N-type 보게된다면, N type에 자유전자가 생긴 것을 볼 수 있습니다. 도너가 도핑된 물질을 n형 물질, 억셉터가 도핑된 물질을 p형 물질이라고 합니다.
또한, 주어진 반도체 샘플에서 가장 많은 캐리어를 다수 캐리어, 가장 적은 캐리어를 소수 캐리어라고 합니다.
조금 더 심화되게 들어가서 페르미 함수를 보겠습니다.
페르미 함수 f(E) 는 간단히 말하자면 에너지 E에서 존재하고 있는 준위들이 얼마나 많은 전자로써 채워지는가를 말합니다. ntype과 ptype의 페르미 준위를 보겠습니다. 페르미 준위는 E=페르미 준위 일때 f(Ef)=1/2 인 지점을 이야기합니다.
다음과 같이 n형 반도체에서는 페르미 준위가 전도대역 근처에 p형 반도체에서는 페르미 준위가 가전자대 근처에 위치하게 됩니다. 페르미 함수는 확률 함수 입니다. 이를 활용해 전자의 수와 밀도등을 알 수 있지만 가볍게 보는 시간이니 여기까지 하겠습니다. 좀 더 수식적인 것을 알고 싶다면 오늘 쓴 글의 출처인 반도체 소자공학 책을 읽는 것을 추천드립니다.
