02_1 전류 소자와 반도체의 기초

Reporting Date: October. 15, 2024

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전류 소자와 반도체의 기초적인 개념에 대해 다루고자 한다.

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목차

01 전류소자의 기본요소
02 도핑(Doping)
03 PN 접합 형성
04 옴의 법칙(Ohm's Law)

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전류 소자의 기본 요소

 

① 저항

Resistor, Ω(옴)

지그재그 모양으로 표시.

전류의 흐름을 제한하는 소자로,
전기 회로에서 전류의 양을 조절하는 역할을 한다.

에너지 손실이 열로 변환되며,
회로에서 전압 강하를 발생시킨다.

 

 

② 트랜지스터

Transistor

화살표와 선으로 표시.

세 개의 단자(베이스, 이미터, 컬렉터)로 구성되며,
왼쪽이 NPN, 오른쪽이 PNP 트랜지스터이다.

작은 전류를 증폭하거나 전기 신호를 스위칭하는 역할을 한다.

 

 

③ 캐패시터

Capacitor, F(패럿)

두 평행선 사이에 간격이 있는 형태로 표시.

전하를 저장하거나 방출하는 소자이다.

직류를 차단하고 교류를 통과시키는 성질을 가지며,
신호 필터링 및 타이밍 회로에 활용된다.

 

 

④ 인덕터

Inductor, H(헨리)

감긴 코일 모양으로 표시.

자기장을 이용하여 에너지를 저장하는 소자로,
전류가 변할 때 전압을 유도하여 회로에 저항을 제공한다.

 

 

⑤ 다이오드

Diode

화살표 모양과 막대가 결합된 형태로 표시.

전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 소자로,
교류를 직류로 변환하거나 전압을 안정화하는 데 사용된다.

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02 도핑 (Doping)

반도체에 불순물을 첨가하여 전기적 특성을 변화시키는 과정.

 

① P형 도핑

보론(Boron)과 같은 3가 원소를 규소에 첨가하면,
규소는 4개의 공유결합 중 3개만 전자를 제공받게 된다.

이는 전하를 운반하는 "양공(홀)"이 형성되며,
전기적으로 양성을 띈다.

따라서 P형 반도체는 전자가 부족한 상태를 나타낸다.

 

② N형 도핑

인(Phosphorus)과 같은 5가 원소를 규소에 첨가하면,
규소는 공유결합 외에 여분의 전자 1개를 더 제공받게 된다.

이 여분의 전자는 전도 전자로 작용하며, 
전기적으로 음성을 띈다.

따라서 N형 반도체는 전자가 여분으로 존재하는 상태를 나타낸다.

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03 PN 접합 형성

P형 반도체는 전자가 부족하여 양공이 많고, N형 반도체는 여분의 전자를 가지고 있다.
P형과 N형 반도체가 접합되면, 전자가 N형 반도체에서 P형 반도체로 확산되며,
반대로 양공이 P형 반도체에서 N형 반도체로 확산된다.

이 과정에서 전자와 양공이 서로 재결합하면서
디플레이션 레이어가 형성된다.

 

1. 디플레이션 레이어

(Depletion Layer)

이 영역에는 자유 전자(전도 전자)나 양공이 거의 없어 전기적 중성 상태가 된다.
따라서 이 영역은 전자가 이동할 수 없도록 하는 영역이 된다.

 

2. 전위차 발생

(Voltage Difference)

디플레이션 레이어가 형성되면,
재결합된 전자와 양공에 의해 전위차(전압)가 발생한다.

이 현상은 전기적 평형을 이루기 위한 노력으로 볼 수 있다.

이 전위차는 P형 반도체가 상대적으로 양성(전자가 부족),
N형 반도체가 음성(전자가 여분) 상태로 변하기 때문에,
두 영역 간에 전기장이 형성된다.

이 전기장은 전자의 추가적인 이동을 방해하며,
전류의 흐름을 제어하는 핵심적인 요소이다.

 

3. 외부 전압

디플레이션 레이어에서의 전위차는 외부 전압에 의해 변화할 수 있다.

예를 들어, 다이오드와 같은 반도체 소자에서 외부 전압(VCC나 다른 전압원)을 가하면,
디플레이션 레이어가 좁혀지거나 넓어져 전류의 흐름을 제어한다.

외부 전압을 가함으로써 디플레이션 레이어의
넓이를 조절하여, 전류의 흐름을 제어하게 된다.

예를 들어, 순방향 바이어스에서는 전위차가 감소하여 전류가 흐르고,
역방향 바이어스에서는 전위차가 증가하여 전류 흐름을 차단하게 된다.

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04 옴의 법칙 (Ohm's Law)

전기 회로에서 전압(V), 전류(I), 저항(R) 간의 관계를 나타내는 기본 공식.

① 전압 (Voltage)

전기 회로에서의 전위 차를 의미하며, 단위는 볼트(V).

 

② 전류 (Current)

전하가 흐르는 속도로, 단위는 암페어(A).

 

③ 저항 (Resistance)

전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내며, 단위는 옴(Ω).

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Schemdraw documentation(전류 소자의 다이어그램 출처)

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