PART 3 반도체

CHAPTER 07 반도체

7장에서 다룰 내용 반도체의 종류와 기본 구조 및 에너지밴드 다이어그램을 통한 반도체 이해 서론 학습 포인트 실리콘의 원자 모델 및 격자 모형을 이해한다. 불순물 반도체의 저항률을 계산할 수 있다.전하, 전류, 전압, 전력, 저항의 개념을 이해한다. 에너지밴드 다이어그램을 이해하고 반도체 해석에 적용할 수 있다. 반도체에서 전류가 흐르는 두 가지 원리를 이해한다. 반도체의 온도 의존성을 이해한다. 휴대전화 자동차 컴퓨터 의료기기 게임기 반도체로 만든 집적회로(IC) 7장에서 다룰 내용 반도체의 종류와 기본 구조 및 에너지밴드 다이어그램을 통한 반도체 이해 반도체 캐리어인 전자와 홀의 이동을 통해 전류의 흐름을 이해

7.1 반도체 물질

핵심 개념 7.1 반도체 물질 ∙ 반도체는 기본적으로 부도체이나 필요에 따라 저항률을 조절할 수 있다. ∙ 반도체 내에서 전류의 흐름에 기여하는 전하는 전자와 홀이며 이를 캐리어라 부른다. ∙ 진성반도체 내의 전자와 홀의 농도는 같다. ∙ 캐리어를 생성하기 위해 진성반도체에 불순물을 주입하여 불순물 반도체를 만든다. ∙ V족 불순물을 주입하면 n형 반도체가, Ⅲ족 불순물을 주입하면 p형 반도체가 된다 ∙ 열평형 상태에서 전자와 홀의 농도의 곱은 np=ni² 이다.

반도체 전기의 흐름에 따른 물질의 분류 반도체 내에 전류에 기여하는 전하 7.1 반도체 물질 반도체 전기의 흐름에 따른 물질의 분류 도체 : 구리, 금 등 전기가 잘 통하는 물질 부도체 : 고무, 유리 등 전기가 잘 통하지 않는 물질 반도체 : 기본적으로 부도체이나 필요에 따라 저항률의 조정이 가능 반도체 내에 전류에 기여하는 전하 전자(electron) : (-) 전하 홀(hole) : (+) 전하 캐리어(carrier) : 전자와 홀과 같은 전기를 전달하는 알갱이 캐리어의 농도를 통해 저항률을 조절

반도체 원소 반도체 화합물 반도체 산화물 반도체 7.1 반도체 물질 반도체 원소 반도체 단일 원소로 구성 : 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 주로 실리콘(Si)이 제품에 적용 화합물 반도체 2종류 이상의 원소로 구성 : 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP), AlGaAs 산화물 반도체 금속 산화물로 구성 : 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 산화망간(MnO2)

반도체 실리콘(Si, 규소) 지구상에 매우 많은 양 공기중에 산소와 결합되어 규석으로 존재 7.1 반도체 물질 반도체 실리콘(Si, 규소) 지구상에 매우 많은 양 공기중에 산소와 결합되어 규석으로 존재 원자번호 14, IV족 원소, 공유결합

진성반도체 진성반도체 순수 반도체 결정으로 불순물이 포함되어 있지 않은 반도체 7.1 반도체 물질 진성반도체 진성반도체 순수 반도체 결정으로 불순물이 포함되어 있지 않은 반도체 최외각 전자가 원자의 궤도에 묶여 있음 → 가전자대 외부의 에너지를 받아 전자가 떨어져 나감 → 자유전자 → 전도대 떨어져 나간 빈자리에 홀 남음 진성캐리어의 농도 ni

불순물반도체 불순물반도체 전자를 넣어주는 방법 전류가 흐르게 하기 위해 불순물 주입(doping) 7.1 반도체 물질 불순물반도체 불순물반도체 전류가 흐르게 하기 위해 불순물 주입(doping) 전도대의 전자나 가전자대의 홀을 외부에서 주입 전자를 넣어주는 방법 V족 원소 인(P) 또는 비소(As)를 불순물로 주입 (-) 전하인 자유전자를 생성 → n형 반도체

불순물반도체 홀을 넣어주는 방법 III족 원소 붕소(B)를 불순물로 주입 (+) 전하인 홀을 생성 → p형 반도체 7.1 반도체 물질 불순물반도체 홀을 넣어주는 방법 III족 원소 붕소(B)를 불순물로 주입 (+) 전하인 홀을 생성 → p형 반도체

반도체에서 전하의 개수 불순물반도체의 전하 : 양이온, 음이온, 전자, 홀 7.1 반도체 물질 반도체에서 전하의 개수 불순물반도체의 전하 : 양이온, 음이온, 전자, 홀 주입된 불순물의 종류와 농도에 따라 전자와 홀 중 많을 것을 다수캐리어, 적 은 것을 소수캐리어 n형 반도체는 전자가 다수캐리어 p형 반도체는 홀이 다수캐리어

7.3 반도체에 전류가 흐르는 원리

7.3 반도체에 전류가 흐르는 원리 핵심 개념 ∙ 반도체에서 캐리어는 전계에 의한 드리프트와 농도 차에 의한 확산으로 움직인다. ∙ 고체 내에서 캐리어는 등속운동을 하며, 전계와 속도는 비례한다. ∙ 전계-캐리어 속도 간의 비례상수인 이동도는 그 반도체의 고유한 특성이다. ∙ 반도체의 옴의 법칙에서 전류밀도-전계 간의 비례상수인 전도도는 도핑으로 조절된다. ∙ 반도체는 온도에 민감하며 온도가 올라갈수록 캐리어의 이동도가 나빠진다.

드리프트 전류 드리프트(drift) 전류 전자의 움직임 자유전자가 전기장에 의한 전위가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 끌려가는 현상 7.3 반도체에 전류가 흐르는 원리 드리프트 전류 드리프트(drift) 전류 전자의 움직임 자유전자가 전기장에 의한 전위가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 끌려가는 현상 전류의 방향은 전자의 이동과 반대 방향인 높은 전위에서 낮은 전위로 형성 이동도(μ) : 전자의 속도는 전기장의 세기에 비례하는데, 이때 비례상수

드리프트 전류 드리프트(drift) 전류 홀의 움직임 7.3 반도체에 전류가 흐르는 원리 드리프트 전류 드리프트(drift) 전류 홀의 움직임 인접한 가전자대의 전자가 전기장으로부터 에너지를 받아서 오른쪽의 홀을 채 우 고 다시 자기 자리에 홀을 만드는 과정의 반복. 이동도 (μ)는 고체의 고유한 특성으로 값이 클수록 전류가 잘 흐름.

반도체의 저항 반도체의 저항 면적 A, 길이 L인 반도체 막대 전류밀도 전기장 저항률 1/ρ [Ω∙cm] 7.3 반도체에 전류가 흐르는 원리 반도체의 저항 반도체의 저항 면적 A, 길이 L인 반도체 막대 전류밀도 전기장 저항률 1/ρ [Ω∙cm] 전자나 홀이 존재하는 반도체는 하나의 저항으로 볼 수 있으며, 도핑농도로 조절

확산 전류 확산(diffusion) 전류 농도의 차이에 의해 캐리어가 이동하는 현상 7.3 반도체에 전류가 흐르는 원리 확산 전류 확산(diffusion) 전류 농도의 차이에 의해 캐리어가 이동하는 현상 어떤 두 지점 사이에 농도의 차이가 있으면 전기장이 없어도 캐리어는 이동 확산에 의해 홀과 전자는 모두 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며 전류의 방향은 반대

CHAPTER 08 다이오드

8장에서 다룰 내용 정류작용과 스위칭 동작을 통한 다이오드의 이해 서론 학습 포인트 pn 접합의 물리적 원리를 이해한다. pn 접합의 열평형 상태와 정상 상태의 모델, 에너지밴드 다이어그램을 이해한다. pn 접합 다이오드의 전류-전압 특성을 이해하고 이를 회로에 적용할 수 있다. 다이오드가 포함된 회로 해석 방법을 이해하고 동작점을 구할 수 있다. 제너 다이오드의 전기적 특성과 응용 및 회로에서의 해석법을 익힌다. 여러 종류의 다이오드와 그응용 에 대해 살펴본다. 다이오드를 이용한 정류회로를 이해하고 적용할 수 있다. 클리퍼와 클램퍼의 동작을 이해하고 설계할 수 있다. 8장에서 다룰 내용 정류작용과 스위칭 동작을 통한 다이오드의 이해 반도체 다이오드인 pn 접합을 통하여 다이오드 내부의 물리적 현상 이해 여러 다이오드의 종류와 응용 회로 학습 (제너 다이오드, 발광 다이오드 등)

8.1 pn 접합

핵심 개념 8.1 pn 접합 ∙ pn 접합의 접합면에는 공핍 영역이 존재하며, 이 영역에 빌트인 전기장이 형성된다. ∙ 실리콘 반도체에서 pn 접합의 빌트인 전압은 약 0.7V이다. ∙ 빌트인 전압은 도핑 농도에 의해 결정된다. ∙ pn 접합에 역방향 바이어스를 인가하면 공핍층 내의 빌트인 전기장이 커져 전류가 흐르지 않는다. ∙ pn 접합에 순방향 바이어스를 인가하면 공핍층 내의 빌트인 전기장이 작아져 전류가 흐른다. ∙ pn 접합에서 공핍층을 제외한 p 영역과 n 영역을 중성 영역이라 하며, 중성 영역 내에서 모든 지점은 전위가 같다고 가정한다.

pn 접합의 물리적 해석 접합 : 서로 다른 성질의 반도체를 붙여놓은 것 물리적 현상 pn 접합 : p형 반도체와 n형 반도체를 붙여놓은 것 열평형 상태에서 전기적으로 중성 물리적 현상 pn 접합면에서 캐리어의 농도차에 의한 확산이 일어남 홀은 농도가 높은 p영역에서 농도가 낮은 n영역으로, 전자는 농도가 높은 n영역에서 농도가 낮은 p영역으로

pn 접합의 물리적 해석 전자와 홀의 재결합(recombination) 이후 접합 구간에는 움직일 수 없는 공간전하(Na-, Nd+)만 남음 이 구간을 공핍영역 혹은 공핍층이라 함 공간전하는 내부 전기장 E를 형성(스스로 발생시켰기 때문에 빌트인 전기장이라 함) 빌트인 전기장은 홀과 전자의 확산을 방해하는 방향으로 작용 → 확산하려는 힘과 평형을 이룸 → 전자와 홀은 움직임을 멈추고 평형 상태에 도달

pn 접합의 물리적 해석 빌트인 전압 Vbi 실리콘 반도체에서 pn접합의 Vbi는 대략 0.7V 정도 빌트인 전압은 도핑 농도와 관련 있음

정상 상태 캐리어의 생성과 소멸의 균형을 이루어 일정한 농도를 유지하는 상태 8.1 pn 접합 정상 상태 캐리어의 생성과 소멸의 균형을 이루어 일정한 농도를 유지하는 상태 pn접합에 외부에서 자극(빛, 온도, 전압 등)을 가하면 열평형 상태가 깨짐 반도체의 공핍층에 빛을 쪼이면 에너지를 받아 전자-홀 쌍 생성 열평형 상태보다 더 생성된 캐리어를 과도 캐리어라 함 과도 캐리어의 수가 많아지면 재결합하여 일정한 캐리어 농도를 유지하는 → 정상상태에 도달 전압을 강제로 인가하여 열평형 상태를 깨고 정상상태를 만들 때 사용하는 전압을 바이어스라 함

역방향 바이어스 pn접합의 극성과 반대 방향의 전압을 인가 반도체 내부의 공핍층에서 전압은 Vbi +VR로 더 커지고, 전기장은 E+ER로 커짐 내부 전기장 등은 확산전류를 방해하는 방향으로 작용 → 전류가 흐르지 않음

순방향 바이어스 pn접합의 극성과 같은 방향의 전압을 인가 반도체 내부의 공핍층에서 전압은 Vbi –VF로 더 작아지고, 전기장은 E–EF 로 작아짐 빌트인 전압이 줄어 캐리어의 확산이 확대 → 순방향 전류인 확산전류가 흐름

8.2 pn 접합 다이오드

8.2 pn접합 다이오드 핵심 개념 ∙ pn 접합 다이오드의 p 단자를 애노드, n 단자를 캐소드라 하며 p 단자인 애노드의 전압이 n 단자인 캐소 드보다 높은 순방향 바이어스일 때 전류가 흐른다. ∙ 다이오드의 전류-전압 특성곡선은 순방향 영역, 역방향 영역, 항복 영역으로 구분된다. ∙ 다이오드를 포함하는 회로에서 동작점은 연립방정식 해석과 부하선 그래프 해석으로 구할 수 있다. ∙ 제너 다이오드는 제너 항복현상을 이용하며 역방향 전류가 흐를 때 일정한 항복전압이 형성된다. ∙ 기타 다이오드로는 고속스위칭에 사용되는 쇼키 다이오드, 광통신에 사용되는 발광다이오드나 광 다이 오드, 태양전지 등이 있다.

전류-전압 특성 전류-전압 특성 다이오드는 순방향으로 바이어스 되어있을 때(vD>0) 확산전류에 의해 도통 8.2 pn접합 다이오드 전류-전압 특성 전류-전압 특성 다이오드는 순방향으로 바이어스 되어있을 때(vD>0) 확산전류에 의해 도통 이때 다이오드의 전압은 빌트인 전압에 해당하는 VON≈0.7V의 전압임 이 지점은 다이오드의 턴 온 전압이라 하며 vD> VON 을 넘어서면 전류는 지수 함수로 증가 전류-전압 특성곡선은 순방향, 역방향, 항복의 세가지 영역으로 구분

제너 다이오드 제너 다이오드 역방향 전류가 흐를 때 일정한 항복전압 VZ가 형성 8.2 pn접합 다이오드 제너 다이오드 제너 다이오드 역방향 전류가 흐를 때 일정한 항복전압 VZ가 형성 제너 항복전압 VZ 보다 큰 역방향 전압이 걸리면 어떠한 전류가 흐르더라도 다이오드 양단은 일정한 VZ 가 걸린다. 주로 정전압원으로 사용됨

쇼키 다이오드 쇼키 다이오드 금속과 n형 반도체를 접속하고 전압을 공급(금속에 +, 반도체에 -)하면 8.2 pn접합 다이오드 쇼키 다이오드 쇼키 다이오드 금속과 n형 반도체를 접속하고 전압을 공급(금속에 +, 반도체에 -)하면 반도체에서 금속에 열전자가 주입되어 전위장벽(쇼트키장벽) 형성. 쇼트키 장벽에 의한 정류작용을 이용한 정류소자 낮은 전압 강하와 매우 빠른 스위칭 전환이 특징인 반도체 다이오드

광전자 다이오드 발광 다이오드 일명 LED(Light Emitting Diode)로 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산 8.2 pn접합 다이오드 광전자 다이오드 발광 다이오드 일명 LED(Light Emitting Diode)로 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산 순방향 바이어스를 가하면 접합 부근에서 확산되는 캐리어들의 재결합에 의 해 발광 E=hν(E:에너지, h:플랑크 상수, ν:진동수)에 해당하는 파장의 빛을 발생 LED는 효율이 높아 최고 90%까지 에너지 절감 가능

광전자 다이오드 광 다이오드 발광 다이오드와 반대로 빛에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환 역방향 바이어스 회로를 구성 8.2 pn접합 다이오드 광전자 다이오드 광 다이오드 발광 다이오드와 반대로 빛에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환 역방향 바이어스 회로를 구성 빛에너지가 공핍층에 닿으면 전자-홀 쌍이 생성되어 전류가 흐르는 원리 빛의 감도를 좋게 하려면 공핍층을 넓게 만듦 광 다이오드는 응답속도가 빠르고 감도 파장이 넓으며 광전류의 직진성이 양 호하여 CD 플레이어, 화재경보기, 리모컨 수신부와 같은 곳에 응용

광전자 다이오드 태양전지 일명 솔라 셀(solar cell) 빛을 받아 전자-홀 쌍이 생성, 태양에너지→전기에너지로 변환 8.2 pn접합 다이오드 광전자 다이오드 태양전지 일명 솔라 셀(solar cell) 빛을 받아 전자-홀 쌍이 생성, 태양에너지→전기에너지로 변환 태양전지는 전원으로 사용 태양전지의 전류와 전압이 적절한 최대 전력 동작점이 중요

8.3 다이오드 응용 회로

8.3 다이오드 응용 회로 핵심 개념 ∙ 다이오드는 양단 간의 전압 극성에 따라 온/오프되는 자가 스위치 동작으로 AC 전압 파형을 제어하는데 많이 사용된다. ∙ 입력 AC 정현파 전압의 일부분을 제거하거나 극성을 바꾸는 정류회로는 DC로 변환하는 기초 회로가 된다. ∙ 정류회로에서는 입력전압 극성을 고려하여 다이오드의 턴 온/오프를 결정하고, KVL을 적용하여 출력신호를 구한다. ∙ 브릿지 정류회로는 4개의 다이오드를 사용하여 전파정류를 수행한다. ∙ 클리퍼 회로는 클리핑 전압원과 다이오드 스위치를 이용하여 AC 신호의 일부분을 잘라낸다. ∙ 클램핑 회로는 AC 입력 파형을 원하는 DC 레벨만큼 이동시키는 회로이다.

8.3 다이오드 응용 회로 정류회로 반파정류 입력신호 회로 동작

8.3 다이오드 응용 회로 정류회로 반파정류

정류회로 전파정류 브릿지(bridge) 회로 입력신호 회로 해석에서 (+)경로와 (–)경로를 구분하여 해석 8.3 다이오드 응용 회로 정류회로 전파정류 브릿지(bridge) 회로 입력신호 회로 해석에서 (+)경로와 (–)경로를 구분하여 해석 (+) 경로 : D1 → 저항 → D2 (–) 경로 : D4 → 저항 → D3

8.3 다이오드 응용 회로 정류회로 전파정류 (+)경로 ▫ (–)경로

클리퍼 클리퍼 입력파형의 일정 부분을 잘라내는 클리핑 동작을 수행 다이오드, DC 전원, 그리고 저항으로 구성 8.3 다이오드 응용 회로 클리퍼 클리퍼 입력파형의 일정 부분을 잘라내는 클리핑 동작을 수행 다이오드, DC 전원, 그리고 저항으로 구성 초기 상태에서 저항에 전류가 흐르지 않음을 가정

8.3 다이오드 응용 회로 클리퍼 클리퍼

8.3 다이오드 응용 회로 클리퍼 클리퍼

8.3 다이오드 응용 회로 클리퍼 클리퍼

8.3 다이오드 응용 회로 클램프 클램프 입력파형의 모양을 유지한 채 DC 레벨을 높이는 클램핑 동작을 수행

8.3 다이오드 응용 회로 클램프 클램프

CHAPTER 09 트랜지스터

9장에서 다룰 내용 트랜지스터의 원리와 특성에 대한 이해 가장 많이 사용하는 BJT와 MOSFET에 대해 학습 서론 학습 포인트 3단자 소자인 트랜지스터의 동작 원리를 이해하고 트랜지스터의 종류와 각각의 구성을 살펴본 다. BJT의 물리적 현상을 이해하고 동작 영역을 정할 수 있다. BJT에서 전류 및 전압 이득을 구할 수 있다. MOSFET의 물리적 현상을 이해하고 동작 영역을 정할 수 있다. n형과 p형 두 종류의 MOSFET 특성과 그 차이점을 이해한다. CMOS의 구조와 특성을 이해한다. 사이리스터의 정의와 구성을 알아본다. 라디오 계산기 컴퓨터 트랜지스터 집적회로 9장에서 다룰 내용 트랜지스터의 원리와 특성에 대한 이해 가장 많이 사용하는 BJT와 MOSFET에 대해 학습 그 외 트랜지스터의 응용

9.1 3단자 반도체 소자

핵심 개념 9.1 3단자 반도체 소자 ∙ 반도체로 만들어진, 전자신호를 증폭할 수 있는 대표적인 소자가 트랜지스터이다. 9.1 3단자 반도체 소자 핵심 개념 ∙ 반도체로 만들어진, 전자신호를 증폭할 수 있는 대표적인 소자가 트랜지스터이다. ∙ 트랜지스터는 입력단자와 출력단자 및 공통단자를 포함하는 3단자 회로 소자이다 ∙ 대표적인 트랜지스터로는 바이폴라 접합 트랜지스터와 MOS 전계효과 트랜지스터가 있다. ∙ 고전압 스위치로는 사이리스터가 있다.

트랜지스터 집적회로(IC) 트랜지스터 오늘날 IT 혁명의 기반 작은 면적에 수억 개의 트랜지스터들을 집적 9.1 3단자 반도체 소자 트랜지스터 집적회로(IC) 오늘날 IT 혁명의 기반 작은 면적에 수억 개의 트랜지스터들을 집적 아날로그 혹은 디지털 동작을 수행 트랜지스터 전자신호를 증폭할 수 있는 반도체 소자 trans + resistor의 합성어 대표적인 능동소자

트랜지스터 트랜지스터 입력, 출력, 공통의 3단자 소자로 입력단자와 출력단자가 분리 공통단자는 입력과 출력 모두에 대한 기준 9.1 3단자 반도체 소자 트랜지스터 트랜지스터 입력, 출력, 공통의 3단자 소자로 입력단자와 출력단자가 분리 공통단자는 입력과 출력 모두에 대한 기준 디지털에서는 제어단자가 있는 진화된 형태의 스위치 소자로 사용 MOSFET, BJT, JFET 등의 다양한 종류

9.2 바이폴라 접합 트랜지스터

9.2 바이폴라 접합 트랜지스터 핵심 개념 ∙ pn 접합 다이오드의 p 단자를 애노드, n 단자를 캐소드라 하며 p 단자인 애노드의 전압이 n 단자인 캐소드보다 높은 순방향 바이어스일 때 전류가 흐른다. ∙ 다이오드의 전류-전압 특성곡선은 순방향 영역, 역방향 영역, 항복 영역으로 구분된다. ∙ 다이오드를 포함하는 회로에서 동작점은 연립방정식 해석과 부하선 그래프 해석으로 구할 수 있다. ∙ 제너 다이오드는 제너 항복현상을 이용하며 역방향 전류가 흐를 때 일정한 항복전압이 형성된다. ∙ 기타 다이오드로는 고속스위칭에 사용되는 쇼키다이오드, 광통신에 사용되는 발광다이오드나 광다이오드, 태양전지 등이 있다.

기본동작 BJT 제작 반도체 기판에서 점차적으로 도핑 농도를 높여가면서 접합을 형성 p형 기판에 n형 컬렉터를 형성 9.2 바이폴라 접합 트랜지스터 기본동작 BJT 제작 반도체 기판에서 점차적으로 도핑 농도를 높여가면서 접합을 형성 p형 기판에 n형 컬렉터를 형성 더 농도가 높은 p형 불순물을 주입하여 베이스를 만들고, 가장 농도가 높은 n형 불순물을 주입하여 이미터를 형성

9.2 바이폴라 접합 트랜지스터 동작모드 npn형 BJT vs. pnp형 BJT BJT 제조상의 두 가지 유형

동작모드 npn형 BJT vs. pnp형 BJT BJT 동작상의 두 가지 유형 9.2 바이폴라 접합 트랜지스터 동작모드 npn형 BJT vs. pnp형 BJT BJT 동작상의 두 가지 유형 순방향 능동 영역 : J1은 순방향, J2는 역방향, IC=βIB 포화 영역 : J1은 순방향, J2도 순방향, IC≠βIB 역방향 능동 영역 : J1은 역방향, J2는 순방향, IC=βIB 성립, 단 β<1 차단 영역 : J1, J2 모두역방향 전류가 흐르지 않음 트랜지스터는 꺼짐

기본동작 베이스 공통 npn 트랜지스터 도핑농도 : 이미터(n++)>베이스(p+)>컬렉터(n) 9.2 바이폴라 접합 트랜지스터 기본동작 베이스 공통 npn 트랜지스터 도핑농도 : 이미터(n++)>베이스(p+)>컬렉터(n) 제작단계에서 이미터–베이스–컬렉터가 결정 → 대칭구조 아님 베이스는 공통단자(접지) 베이스(+) – 이미터(-) 간 순방향 전압 컬렉터 (+) – 베이스 (-) 간 역방향 전압

전류이득 공통 이미터 BJT 이미터 전압 < 베이스 전압 < 컬렉터 전압 베이스는 입력단자, 컬렉터는 출력단자 9.2 바이폴라 접합 트랜지스터 전류이득 공통 이미터 BJT 이미터 전압 < 베이스 전압 < 컬렉터 전압 베이스는 입력단자, 컬렉터는 출력단자 더 농도가 높은 p형 불순물을 주입하여 베이스를 만들고, 가장 농도가 높은 n형 불순물을 주입하여 이미터를 형성 입력전류 : IB 입력전압 : VBE 출력전류 : IC 출력전압 : VCE

디지털 스위치로서의 동작 디지털 스위치 다이오드는 제어단자 없는 스위치 9.2 바이폴라 접합 트랜지스터 디지털 스위치로서의 동작 디지털 스위치 다이오드는 제어단자 없는 스위치 트랜지스터는 베이스가 제어단자의 역할을 하며 컬렉터와 이미터가 스위치 단자 베이스:‘L’’→차단영역→스위치 꺼짐 베이스:‘H’’→포화영역→스위치 켜짐

9.3 MOS 전계효과 트랜지스터

핵심 개념 9.3 MOS 전계효과 트랜지스터 ∙ MOS는 금속-절연체-반도체의 수직 구조로, 그 첫 글자를 딴 것이다. ∙ MOSFET은MOS 구조의 전계효과 트랜지스터로 소오스와 드레인이 기판과 반대의 극성으로 존재한다. ∙ 전류에 기여하는 캐리어가 공급되는 곳이 소오스이고, 캐리어가 빠져나가는 곳이 드레인이다. ∙ MOSFET은 채널 형성 유ㆍ무에 따라 ON/OFF가 결정된다. ∙ MOSFET이 온될 때, 선형 영역 혹은 포화 영역에서 동작한다. ∙ 포화 영역은 채널의 두께가 점점 작아지다가 핀치오프 점에서 끝난다. ∙ 포화 영역에서는 드레인 전압과 관계없이 일정한 전류가 흐르는 전류원과 같은 동작을 한다. ∙ MOSFET이 포화 영역에서 동작할 때 VDS의 증가에 따라 전류가 증가하는 것을 채널길이 변조효과라 하며 BJT의 얼리 효과에 해당한다.

MOS의 구조 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 반도체는 도핑농도가 높으면 도체처럼 동작 커패시터 형태로 평판 커패시터의 기본 원리를 따름

MOS 커패시터의 세 가지 동작 영역 MOS 구조의 세 가지 동작 영역 축적(accumulation) : VG<0일 때, 게이트에 음전하, 기판에 양전하 모임 공핍(depletion) : 0<VG<Vt 일 때, 반도체 표면에 공핍층 반전(inversion) : Vt<VG일 때, 반도체 표면에 소수캐리어인 전자가 모임

MOSFET 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터 반도체 부분을 기판으로 하여 절연체 양 끝 부분에 도체 역할을 하는 반도체 영역인 소오스와 드레인을 추가하여 구성 소오스와 드레인의 도핑은 기판과 반대의 극성 NMOSFET→NMOS, PMOSFET→PMOS로 줄여 표현하기도 함 오늘날에는 한 기판 위에 NMOS와 PMOS가 제작 가능한 CMOS 공정을 사용

MOSFET 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터 PMOS는 n형 기판에, NMOS는 p형 기판에 제작 NMOS는 전자가 캐리어, PMOS는 홀이 캐리어 소오스와 드레인 사이에 채널이 형성되면 트랜지스터는 ON 소오스와 드레인 사이에 채널이 형성되지 않으면 트랜지스터는 OFF

MOSFET과 BJT의 비교 실제 IC 구현 초기 IC는 전류 구동 능력과 잡음 특성이 좋은 BJT를 사용하였음 전류의 크기가 트랜지스터의 폭(W)과 길이(L)의 비에 비례하므로 크기가 축 소되어도 동일한 전류가 흐름 BJT는 전류의 크기가 에미터 면적에 비례하므로 크기를 축소하면 전류가 줄 어듬

9.4 사이리스터

핵심 개념 9.3 MOS 전계효과 트랜지스터 ∙ 사이리스터는 세 개의 접합으로 구성된 4층 반도체 소자이다. ∙ 사이리스터의 주 전극은 캐소드(K)와 애노드(A)로, pnpn 구조의 스위칭 소자이다. ∙ 사이리스터의 반도체 재료로 실리콘을 사용한다. ∙ 사이리스터는 애노드(A) 와 캐소드(K) 간의 순방향 전압이 브레이크-오버 전압을 초과하면 도통된다. ∙ 제어단자 연결에 따라 N-게이트 사이리스터와 P-게이트 사이리스터로 분류된다.

사이리스터 사이리스터(thyristor) 베이스가 개방된 npn 트랜지스터의 예 세 개의 접합으로 구성된 4층 반도체 소자 9.4 사이리스터 사이리스터 사이리스터(thyristor) 세 개의 접합으로 구성된 4층 반도체 소자 흔히 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier)라 부름 베이스가 개방된 npn 트랜지스터의 예 전압은 이미터<베이스<컬렉터 , 접합은 J1은 순방향, J2는 역방향 ICEO=β ∙ ICBO 는 베이스가 개방되어 있어 매우 작은 전류가 흐름 VCE를 더 높이면 ICBO도 켜지고 어떤 전압 BVCEO를 넘으면 도통됨

사이리스터 4층으로 구성된 pnpn 소자 주 전극은 캐소드(K)와 애노드(A) 9.4 사이리스터 사이리스터 4층으로 구성된 pnpn 소자 주 전극은 캐소드(K)와 애노드(A) 애노드 전극에서부터 실리콘 결정 의 반도체가 pnpn의 순서로 접합 J1, J2, J3의 세 개의 pn접합이 형성