다이오드

다이오드

 

자료출처 : 천재학습백과

 

순수한 반도체는 전류가 잘 흐르지 않기 때문에 약간의 불순물을 넣어 전류가 잘 흐르게 한다. 불순물을 섞는 과정을 도핑이라고 하며, 도핑 결과에 따라 p형 반도체와 n형 반도체가 만들어진다. 반도체 부품인 다이오드와 발광 다이오드(LED), 트랜지스터에서 p형 반도체와 n형 반도체가 어떻게 구성되며, 그 작동 원리는 어떠한지 알아보자.

 

n형 도핑

n형 도핑의 목적은 전류를 흐르게 하는 전자를 많이 만드는 것이다. 게르마늄(Ge)은 원자가 전자 4개를 가지고 있고, 각 전자는 인접한 게르마늄 원자 4개와 *공유 결합을 이루고 있다. 그림 II-44와 같이 게르마늄 결정에 원자가 전자가 5개인 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등을 섞으면, 추가된 원자는 공유 결합에 참여하지 못하는 전자 1개를 갖게 된다. 이 여분의 전자는 원자에 약하게 구속되어 있어 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있다.

 

그림 II-44 n형 도핑

*공유 결합 : 공유 결합은 두 원자가 서로 같은 수의 전자를 내놓아 서로 공유하여 화학 결합이 이루어지는 것이다. 예를 들면, 수소 원자 하나는 전자 한 개를 가지지만, 분자를 이루는 상태에서는 두 개의 전자를 서로 공유하여 안정한 수소 분자가 형성된다.

 

 

p형 도핑

p형 도핑의 목적은 양공을 많이 만드는 것이다. 그림 II-45와 같이 게르마늄에 원자가 전자가 3개인 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등을 섞으면, 게르마늄이 갖는 4개의 원자가 전자 중 1개는 공유 결합을 하지 못하고 전자 1개를 원하는 상태가 된다. 이러한 원자는 주변의 원자에서 전자를 하나 가져올 수 있기 때문에 전자가 부족한 양공을 만든다. p형 도핑을 한 반도체는 이동할 수 있는 양공이 많다.
이와 같이 반도체에 약간의 불순물을 넣어서 남아도는 전자나 양공을 만들면, 전류를 흐르게 하는 입자가 많아지기 때문에 전기 전도도가 좋아진다. 불순물 때문에 전자가 남아도는 반도체를 n형 반도체라 하고, 양공이 남아도는 반도체를 p형 반도체라고 한다. n형 반도체의 남아도는 전자들은 반도체 에너지띠의 전도띠 부분에 분포하는 것으로 볼 수 있다.

 

그림 II-45 p형 도핑

 

p-n 접합 다이오드

p형 반도체와 n형 반도체를 접촉시킨 뒤 양 끝에 전극을 붙인 것을 p-n 접합 다이오드라고 한다. p-n 접합 다이오드의 실제 모양은 다양하기 때문에 그림 II-46의 기호로 나타내는 것이 편리하다.

 

그림 II-46 p-n 접합 다이오드의 구조와 기호

 

p-n 접합 다이오드의 p형 반도체에 (+)전원을 연결하고, n형 반도체에 (-)전원을 연결한 경우를 순방향 전압이라고 한다. 그림 II-47의 ㉮와 같이 순방향 전압이 걸리면 p-n 접합면에 양공과 전자가 공존하는 영역이 생긴다. 이 영역에서 전도띠의 전자가 아래쪽 양공을 채우게 되므로, 다이오드의 양 끝에서는 양공과 전자를 계속 공급할 수 있게 된다. 즉 전류가 지속적으로 흐른다. 그림 ㉯와 같이 다이오드에 역방향 전압이 걸리면 p형 반도체에는 전자가 공급되어 양공은 거의 사라지고 전원의 (-)극 쪽으로 양공이 몰린다. n형 반도체에는 전자가 접합면에서 멀어지면서 전원의 (+)극 쪽으로 전자가 몰린다. 따라서 접합면의 에너지띠에는 남아도는 전자나 양공이 없게 되어 전자 전이가 일어날 수 없다. 전원의 (+)극 쪽은 전자를 극히 일부만 가져가고 더 이상 가져갈 수 없게 되어 전류가 흐르지 않는다.
일반 가정에는 교류 전기가 공급된다. 그런데 전기 기구 중에는 내부적으로 직류가 흘러야 하는 것들이 많다. 이럴 때 교류를 직류로 전환시켜 주는 회로를 정류 회로라고 하는데, 이 정류 회로는 p-n 접합 다이오드를 이용하여 구성한다.

 

그림 II-47 p-n 접합 다이오드

 

정류 작용

▶ 정류 작용 : 교류를 직류로 바꾸는 작용을 말한다. p-n 접합 다이오드를 이용하여 구현할 수 있다.

 

 

 

 

 

반도체 소자의 재료

상온의 열에너지 환경에서도 원자가띠의 일부 전자가 전도띠로 건너뛸 수 있을 정도의 띠 틈을 가진 물질이 반도체 소자의 재료가 될 수 있다. 규소(Si), 저마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs)의 띠틈은 각각 1.12 eV, 0.67 eV, 1.43 eV이다.

반도체 제조 공정

반도체 집적 회로는 손톱만큼이나 작고 얇은 실리콘 칩에 지나지 않지만 그 안에는 수만 개에서 천만 개 이상의 전자 부품들(트랜지스터, 다이오드, 저항, 축전기)이 들어 있다. 반도체 제조 공정은 다음과 같다.

*다이오드 : p형과 n형의 반도체를 접합시켜 각각에 전극을 부착한 것으로, 전류의 세기가 전압에 비례하지 않는 특성이 있다.