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Semiconductor/반도체 이야기

pnp접합과 바이폴라 접합트랜지스터(BJT), 두 번째 이야기 (지난 호에서 이어집니다) 역시, 전자나 전류의 흐름은 눈에 보이는 것이 아니라서 이해가 잘 안 되기 마련이지요. 물의 흐름으로 생각해 보면 이해가 훨씬 쉬울 것 같습니다. 아래 그림과 같은 특수한 파이프를 생각해봅시다. 파이프의 입구 부분을 컬렉터, 출구 부분을 이미터로 생각하겠습니다. 이미터 쪽의 측면에 가느다란 파이프가 관통해 들어와 있는데, 입구 쪽은 베이스로 연결되어 있고, 출구 쪽은 컬렉터와 이미터 사이에 있는 밸브와 맞닿아 있습니다. 컬렉터 쪽에는 물이 항상 틀어져 있어 밸브만 열리면 컬렉터에서 이미터 쪽으로 물이 흐를 수 있으나, 평상시에는 밸브가 닫혀 있어 이미터 쪽으로 물이 흘러갈 수 없습니다. 그리고 이 밸브는 스프링이 달려서 일정 이상의 힘이 가해져야 열리도록 제작되어있습니다. 아래..
pnp접합과 바이폴라 접합트랜지스터(BJT), 첫 번째 이야기 지난 호에 p형 반도체와 n형 반도체를 한 면에서 접촉해 다이오드(pn 접합다이오드)를 만들어 보았습니다. 생각보다 복잡하고 이해하기 까다로웠을 것입니다. 다시 한 번 정리하자면, p형 반도체 쪽에 +전압이, n형 반도체 쪽에 –전압이 걸리면 순방향 바이어스가 되어 전류가 흐르지만, 반대로 전압이 걸리면 역방향 바이어스가 되어 전류가 흐르지 않는데, 이를 설명하기 위해 각 반도체 영역의 다수 캐리어와 소수 캐리어의 거동에 대해 지난 호에 설명했습니다. 이러한 pn 접합다이오드의 대략적인 모식도와 기호는 아래 그림과 같습니다. 이번 호에는 한 발 더 나가서, 그렇게 만들어진 다이오드 2개를 붙여 pnp(또는 npn) 접합트랜지스터를 만들어 보려고 합니다. 지난 호의 내용이 아직도 이해가 되지 않았다면 다시..
반도체 이야기, Pn 접합과 다이오드 - 두 번째 이야기 (지난 호에서 이어집니다) 정공이 다수캐리어인 p형 반도체(흰 점으로 표시된 것이 정공입니다)와 전자가 다수캐리어인 n형 반도체(검정 점으로 표시된 것이 전자입니다)가 한 면에서 만났습니다. 만나기 전에는 각각의 다수캐리어들은 균일하게 분포하여 있었습니다. 물론 이온화된 도너 또는 억셉터도 균일하게 분포하여 있으며, 각각의 반도체는 전기적으로 중성인 상태입니다. (p형 반도체에서는 음이온과 정공의 수가 같고, n형 반도체에서는 양이온과 전자의 수가 같으므로 전기적으로는 중성입니다) 그러다가 한 면에서 두 반도체가 만나면 접합면 부근의 정공(p형 반도체의 다수캐리어)과 전자(n형 반도체의 다수캐리어)가 서로 끌려 오다가 만나겠지요. (이때, 이온화된 도너나 억셉터는 움직이지 않고 고정되어 있음에 유의하세요..
반도체 이야기, Pn 접합과 다이오드 - 첫 번째 이야기 지난 호에 진성반도체, 그리고 n형과 p형 반도체의 밴드구조에 대해서 살펴보았고, 소수캐리어와 다수캐리어라는 것이 있어서 반도체의 전기전도성을 주는 것이라고 했습니다. 그럼 이 반도체에 전압을 걸어주면 어떤 일이 벌어질까요? 전기만 생각하면 머리가 아파 온다고요? 지극히 정상입니다. 왜냐하면, 전기는 눈에 보이지 않기 때문에 상상하기가 어렵지요. 이럴 때는 눈에 보이는 것으로 바꾸어 생각하는 것이 편리합니다. 자, 용기 속에 있는 물을 떠올려 볼까요? 양쪽이 모두 막혀 있는 용기 속에 물이 꽉 찬 경우를 먼저 봅시다. 이 용기를 기울여도 물이 움직이지 않습니다. 용기의 양 끝이 막혀 있고 물이 꽉 차 있어서 움직일 수 없지요. 그럼 용기 속에 물이 약간만 차 있는 경우는 어떻게 될까요? 용기를 기울이니 ..
반도체 학교의 캐리어 이야기, 두 번째 자, 지난 호에 이어 이번 달에는 반도체가 있는 교실 속 불순물 반으로 다시 들어가 보겠습니다. 불순물 반은 불순물 반도체입니다. ‘정규학생’은 ‘실리콘’으로 ‘청강생’은 ‘불순물’로 이해를 하면 되겠습니다. 청강생은 학교의 정규학생이 아니므로 선생님을 덜 무서워하는군요. 먼저 P(인) 같은 5족 불순물이 실리콘에 첨가된 N형 반도체를 살펴보도록 하겠습니다. P는 5개의 최외각전자를 가지고 있어서 4개는 실리콘과 공유결합을 이루기 위해 속박되어 있고, 남은 1개가 약하게 붙들려 있다가 약간의 에너지만 공급해줘도 쉽게 떨어져 나가 자유전자처럼 활동합니다. (600원을 가지고 있는 철수를 생각하세요) 이를 밴드 구조로 설명하면 아래 그림과 같습니다. 왼쪽 그림에서, 온도가 0K일 때 여분의 전자는 P에 약하..
반도체 학교의 캐리어 이야기, 첫 번째 이번 달에는 반도체가 있는 교실 속으로 들어가 보겠습니다. 반도체 나라에는 세미 초등학교가 있고 그곳에는 진성 반이 있습니다. 교실 안에는 학생 수와 의자 수가 같아서 모든 학생이 앉아 있고, 빈자리나 자리 없이 서 있는 학생은 없습니다. 곧 엄한 선생님이 들어오시니 학생들이 꼼짝 못 하고 제자리에 앉아 공부합니다. 바깥 복도에 돌아다니는 학생이 아무도 없군요. 이번에는 덜 엄한 선생님이 들어오셨는데 아직도 학생들은 선생님을 무서워하며 아무도 자리를 떠나 돌아다니질 않네요. 다시 시간이 바뀌어서 순한 선생님이 들어오셨습니다. 수업을 지루해하는 한 학생이 슬그머니 일어나 복도로 나가 돌아다닙니다. 교실에는 빈 의자가 하나 생겼고, 복도에는 자유롭게 돌아다니는 학생이 하나 생겼네요. 이윽고 또 한 학생이 자..
반도체, 흙 퍼서 장사하나 - 두 번째 이야기 자, 그럼 지난 호에 이어 흙을 퍼서 어떻게 장사하는지 들여다볼까요? 원재료인 모래(규사)는 고온 정제과정을 거쳐 규소라는 물질로 추출하게 됩니다. 원재료에 함유되어 있던 철, 니켈, 코발트 등 불순물을 제거하여 고순도의 규소로 정제하는 방법은 몇 가지 있습니다만, 예전에 주로 사용하던 방법을 간단히 설명하겠습니다. 어렸을 적에 얼음과자(일명 쭈쭈바)를 먹다 보면 처음에는 참 달고 맛있다가 마지막에 남은 얼음은 맹물처럼 싱겁고 향도 안 나서 버리곤 했었습니다. 왜 그런 걸까요? 그 비밀은, 설탕과 향료가 얼음과 물에 녹아 들어갈 수 있는 양이 다르기 때문입니다. (전문적인 용어로 ‘용해도가 다르다’고 합니다.) 일반적으로 설탕은 얼음보다 물에 훨씬 많이 녹아 들어갈 수 있습니다. 얼음과자를 막 만들 때에..
반도체, 흙 퍼서 장사하나 - 첫 번째 이야기 우리는 그동안 전자공학과 반도체의 역사에 대해서 살펴보았고, 반도체가 무엇인지 그 성질에 대해서 공부했으며, 양자역학을 이용한 띠이론(band theory)에 대해서까지 짚어보았습니다. 이 띠이론은 앞으로 반도체 특성을 설명할 때 단골로 등장할 것이므로 잘 이해를 하는 것이 좋겠고, 이해가 잘되지 않는다면 3월호를 다시 정독하면 도움이 되리라 생각합니다. 전기를 잘 흐르게 하는 도체, 잘 흐르지 못하게 하는 부도체, 때에 따라서 전기를 흐르도록 또는 흐르지 않도록 할 수 있는 반도체를 띠이론으로 설명할 수 있습니다. 도체의 경우에는 가전자대(전자가 채워져 있는 띠)와 전도대(비어있는 띠)가 겹쳐 있어서 많은 수의 전자가 띠사이를 쉽게 이동할 수 있으므로 큰 전류를 흐르게 합니다. 반도체와 부도체는 띠구조..