Electronic Devices and Circuit Theory Semiconductor Diodes 1

Chapter Objectives Differences between classes A, AB, and C amplifier Amplifier distortion Efficiency of amplifiers Power calculations of amplifiers

1장에서 배울 내용들 3가지 반도체 물질인 Silicon(Si), Germanium(Ge), Gallium+Arsenic(GaAs) Electron(전자)과 Hole(정공)들이 이동에 의한 전기흐름 불순물은 첨가하여 만든 n형 반도체와 p형 반도체의 차이 Diode(다이오드)에 공급하는 전압에 따른(정방향, 역방향) 바이어스와 동작 Diode의 전압전류 특성 곡선에 따른 저항의 종류 Diode 등가회로란(전압, 전류 및 저항 성분) 보통 사용되는 PN접한 반도체 이외의 특수 다이오드인 Zener 및 발광 diode 3

1.1 개요 전자회로의 기본원리들은 1930년대에 개발되었고, 공정기술 발전에 따라 소형화가 이루어지게 되어 오늘날과 같은 전자산업의 획기적인 발전을 이루게 되었다. 최초의 집적회로는 1958년 TI의 Jack Kilby에 의해 개발 근래에 Intel의 i7 마이크로프로세서의 경우 7억3100만개의 트랜지스터라고 부르는 전자회로의 기본소자로 구성된다. 1965년 Intel의 Gordon E. Moore는 반도체의 집적도는 매년 2배씩 증가한다는 유명한 Moore의 법칙을 예측하였는데 45년이 지난 지금까지 유효하지만, 앞으로는 반도체 소자의 특성과 초정밀도가 요구되는 제조장비의 문제로 한계에 이를 것으로 보인다. 4

1.2 반도체 물질 모든 물질의 기본 구조는 다음과 같이 핵을 구성하는 중성자, 양성자와 핵을 중심으로 지구와 같이 공전하는 전자들로 이루어짐 물질의 구성 Electron Shells (전자각)과 Orbit(궤도): K, L, M… 이온화 (Ionization) 일반물리 및 화학에서 다룸 가전자대 (Valance Band)와 전도대 (Conduction Band) 반도체는 원소의 주기율 표에서 최외각 전자가 4개인 4가 물질로 전기 전도성이 도체와 절연체의 중간 성질을 가지고 있다(Silicon, Germanium). 이러한 물질은 단결정(single crystal)으로 구성되다. 그러나 두 개의 물질을 섞은 GaAs(Gallium Arsenide, 갈륨비소), CdS(Cadmium Sulfite, 카드뮴황), GaN (Gallium Nitrogen, 갈륨질소)들과 같이 지구 상에 물질로도 반도체 소자를 구현할 수 있다. 5

1.2 반도체 물질(계속) 1939년 Germanium 다이오드가, 1947년 이 다이오드를 기본으로 한 Transistor가 발명됨 처음에 물질의 장점은 순도를 높이는 과정이 용이한 Germanium 물질을 이용하여 사용하였으나, 온도변화에 민감한 단점이 있음 이러한 단점을 극복하기 위하여 Silicon 물질을 이용한 Transistor가 1954년 출현된 후에 순도와 공정기술의 개발로 오늘과 같은 발전을 이루게 되었으나, 처리 속도를 개선하려는 요구가 높아짐 따라서 처리속도를 구현하기 위하여 1970년대에 두 개의 물질을 섞은 GaAs로 반도체 소자를 만들게 되었고, 처리속도는 Silicon에 비하여 5배나 빠름 향후에 처리속도가 빠르면서 전력소모가 적은 회로 개발이 필요함에 따라 이를 지원할 수 있는 대체 물질에 대한 연구가 필요 6

1.3. 공유결합 (Covalent Bonding) Si, Ge, GaAs와 같은 물질들이 왜 반도체 산업에 이용되었는가? Si과 Ge 원소는 그림과 같이 맨 바깥에 4개의 전자들이 괘도를 선회하며, Ga은 3개 As는 5개의 전자들이 선회하는데, 이들이 그림과 같이 서로 전자들을 공유하여 안정적인 물질형성(공유결합) 7

1.3. 공유결합 (계속) 맨 마지막 괘도를 돌고 있는 전자들은 외부에서 에너지를 공급하면 핵 가까이 있는 전자들에 비하여 쉽게 원자구조에서 이탈시킬 수 있다. 이러한 에너지로는 전압, 온도, 충격, 압력들이 있는데 전자회로에서는 주로 전압을 이용함 온도도 영향을 주므로 전자회로에서는 온도의 영향이 큼(Si 선호, Ge에 비하여 정제비용 증가) 이러한 에너지를 외부에서 공급받게 되면 전자들이 핵에서 이탈되어 자유전자가 됨 실온에서 1cm3당 약 1.5X1010개의 자유전자들이 존재 자연 상태의 규소는 Si 원자들과 불순물들이 혼합되어 전자들이 이동할 때 방해되므로 일정한 방향으로 움직이지 않게 되므로 단결정의 순수한 물질로 정제하는 과정이 필요한데 이렇게 가공된 반도체를 진성반도체(intrinsic semiconductor)라고 부름 GaAs: 1.7 X 106/cm3, Si: 1.5 X 1010/cm3, Ge: 2.5 X 1013/cm3 자유전자들의 수와 움직일 수 있는 능력을 나타내는 mobility(이동도)가 중요함 GaAs: 8500 cm2/V·s, Si: 1500 cm2/V·s, Ge: 3900 cm2/V·s 순수한 반도체는 우리가 원하는 제어를 할 수가 없으므로 다른 물질을 추가하는데 이런 과정을 doping이라고 함(=extrinsic semiconductor) 온도변화에 따라 전자들의 에너지가 변하여 전류가 잘 흐르거나 못 흐르는 현상이 발생하므로 이는 저항이 변화하는 것과 마찬가지므로 온도변화에 대한 저항의 변화를 의미하는 온도계수를 이용(positive temperature coefficient, negative temperature coefficient) 반도체는 온도가 증가하면 전자들의 움직임이 활발하여 전류가 증가하고, 이에 따라 저항이 감소하는 현상이 발생하여 negative temperature coefficient 성질 8

1.4 에너지 level 물질들의 에너지 모양 (최외각 전자들로 에너지가 높음) (내부에 있는 전자들로 에너지 낮음)

전기적인 특성이 다른 물질의 Energy Band (반도체라고 부르는 이유) 1.4 에너지 level (계속) 전기적인 특성이 다른 물질의 Energy Band (반도체라고 부르는 이유)

물질 중간에 Eg라고 표시한 부분은 전자들이 존재할 수 없는 금지대로 물질의 전기적 성질의 차이가 나타나는 기준이 된다. 1.4 에너지 level (계속) 물질 중간에 Eg라고 표시한 부분은 전자들이 존재할 수 없는 금지대로 물질의 전기적 성질의 차이가 나타나는 기준이 된다. Germanium Eg < Silicon의 Eg < Gallium Arsenide Eg 따라서 동일한 온도가 증가하여도 Germanium의 경우 더 많은 전자들이 Conduction Band로 이동하여 자유전자가 되므로 온도에 민감하게 반응함 안정도가 높아야 되는 경우에 Germanium보다 Silicon이 좋으므로 Silicon 선호 빛을 방출하는 Light Emitting Diode(LED)는 물질의 Doping에 따라 빛이 달라짐 전자들이 움직이는데 필요한 에너지 단위로 1eV를 사용 회로이론에서 배운 이론에서 전압이란 단위전하가 일을 하는 에너지로 정의 V=W/Q 이므로 W=QV이고 1Q(Coulomb)에는 6.2415 X 1018 개의 전자들이 있음 1개 전자의 전하량은 1.6 X 10-19 Coulomb 1개 전자의 에너지는 W=1.6 X 10-19 C· 1V= 1.6 X 10-19J 가 되어 이를 1eV라 함

1.5 N형과 P형 물질 앞 절에서 다른 물질을 섞어 다른 전기적인 특성을 바꾸게 하는데 이런 과정을 doping이라 하였고 이러한 반도체를 extrinsic semiconductor라고 하였다. 또한 이와 같이 하는 목적은 우리가 원하는 제어(전압, 저항, 전류 변수들=Ohm’s Law)를 하기 위한 것이라고 하였다. 이러한 물질에는 원소의 주기율표에서 3가와 5가에 위치한 물질로 모두 donor라고 부른다. 5가의 물질을 이용할 경우에는 외각에 전자가 많게 되므로 쉽게 자유전자들이 만들어지므로 마이너스 전하성질이 되므로 n형이라 부른다. 3가의 물질을 이용할 경우에는 외각에 전자가 부족하게 전자의 결합이 모자라게 되어 상대적으로 플러스 전하성질이 되므로 p형이라 부른다. 12

N형 물질로 5가인 Sb(antimony), As(arsenic), P(phosphorus)를 첨가 1.5 N형과 P형 물질(계속) N형 물질로 5가인 Sb(antimony), As(arsenic), P(phosphorus)를 첨가 13

1.5 N형과 P형 물질(계속) P형 물질 3가인 붕소(boron), 갈륨(gallium), 인듐(Indium)을 첨가 14

1.5 N형과 P형 물질(계속) Intrinsic 경우보다 적어짐 N형을 doping 결과 donor의 에너지가 위로 올라가 전자들이 쉽게 전도대로 이동 P형은 반대로 acceptor energy level이 conduction band에서 아래로 이동하게 되어 carrier들이 쉽게 이동할 수 있는데 이렇게 결합이 빈 공백의 입자들을 정공이라 부르고 전자에 비하여 mobility가 느림 Intrinsic 경우보다 적어짐 Is less than the Intrinsic semiconductor’s 15

1.5 N형과 P형 물질(계속) P 형 N 형 ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ Intrinsic 에서는 EF(Fermi Energy)가 중간에 위치 Doping을 하면 EF가 중간에서 이동 (P는 아래, N은 위) PN이 만나면 EF가 동일하다는 원칙에 의해 계단이 발생 이 계단을 넘어 전류가 흐르려면 외부 전압이 필요(0.7V) 전자가 오른쪽으로, 정공이 왼쪽으로 이동하면 전류=0 따라서 절연체로 동작 전자가 왼쪽으로, 정공이 오른쪽으로 이동하면 전류흐름 따라서 도체로 동작 P 형 N 형 ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ EC EF ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ EV 16

1.5 N형과 P형 물질(계속) 다수 캐리어와 소수 캐리어: 진성 반도체의 경우 불순물에 의한 전자들과 가전자대의 일부 전자들이 외부 에너지를 얻어 전도대로 이동하고(이온화), 그 빈 자리의 정공들은 전자들의 수에 비해 많지가 않다. 더욱이 3가인 n형 물질을 doping 한 경우에는 전자들의 수가 정공에 비하여 대단히 많게 되므로 이 경우 전자를 majority carrier라고 하고 상대적으로 적은 수의 정공을 minority carrier라고 부른다. p형 반도체에서는 정공이 majority, 전자가 minority가 된다. 17

1.5 N형과 P형 물질(계속) 전류의 방향과 전자의 움직임은 반대 정공과 전자의 흐름: 충분한 에너지를 얻은 가전자대의 전자가 전도대의 자유전자가 되면 결합의 공백(정공)이 생기게 되며, 이 빈자리를 다른 전자가 채우게 되고 자신이 있던 자리에 또 다른 공백이 발생하여 연쇄 작용이 일어난다. 전류의 방향과 전자의 움직임은 반대 18

1.6 반도체 다이오드 Doping에 의하여 P형 물질과 N형 물질이 만나는 부분을 junction이라고 부름 전압을 공급하지 않은 경우 접합근처에서 확산운동 후에 carrier가 재결합을 하여 없음 ( 공핍층이고 부름: depletion) 중성인 상태에서 hole과 electron 들이 없어지므로 P 쪽에 –가 되고, N쪽에 +의 전위장벽이 발생 19

1.6 반도체 다이오드(reverse bias) P에 – 전압을, N에 + 전압을 연결할 경우의 전류흐름(drift current vs diffusion current) 공핍층이 더 넓어지게 됨 => 접합 커패시턴스가 감소 (∵ 거리가 증가 C∝ 𝑨 𝒅 ) 20

1.6 반도체 다이오드(forward bias) P에 + 전압을, N에 - 전압을 연결할 경우 전류흐름 Hole이나 electron들이 접합 경계 면을 통과하기 위해서는 공핍층의 접촉 전위보다 큰 에너지가 필요함 공핍층이 좁아 지므로 => 접합 커패시턴스가 증가 (∵ 거리가 감소) 21

1.6 반도체 다이오드(전기특성) 다이오드의 V-I 특성 q:1.6x10-19 C T: 절대온도 k: 볼츠만 상수 (1.38x10-29J/K) V: 다이오드 양단전압 22

1.6 반도체 다이오드(제너) 역전압을 계속 증가한다면 갑자기 전류가 흐르기 시작하기 전의 전압: peak inverse voltage (PIV) , peak reverse voltage(PRV) 갑자기 전류가 흐르기 시작하는 영역을 제너 전압: zener voltage (VZ) 23

1.6 반도체 다이오드(동작전압) 반도체 물질에 따른 동작전압의 차이 GaAs≈1.2V, Si ≈0.7V, Ge ≈0.3V P 형 N 형 ⊖ ⊖ ⊖ ⊖ EC ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ EV 24

1.6 반도체 다이오드(온도효과) 주위의 온도에 따라 동작에 영향을 받음 온도가 높아지면 순방향 동작 전압이 감소 누설 역전류도 온도에 비례하여 증가 역전압도 온도에 비례하여 증가 Ge 다이오드는 Si, GaAs 다이오드 보다 온도에 민감 25

1.6 반도체 다이오드(요약) 다이오드는 2개의 단자로 구성 (P와 N) P는 3가의 물질을 순수한 반도체 물질(Si, Ge)에 첨가하여 제조 N은 5가의 물질을 순수한 반도체 물질(Si, Ge)에 첨가하여 제조 Intrinsic semiconductor와 Extrinsic semiconductor 3가나 5가의 물질을 첨가하는 것을 Doping이라 함 증폭작용이 없음 접합면에 Capacitance 가 형성(Junction Capacitance) PN 단자 양쪽에 공급하는 전압에 의하여 스위치로 간주할 수 있음 P에 +전압을, N에 –전압을 연결할 경우 순방향 Bias라고 함(ON) P에 -전압을, N에 +전압을 연결할 경우 역방향 Bias라고 함(OFF) 전압을 공급하여 전류의 흐름을 조절할 수 있는 소자가 만들어 짐 26

1.7 이상과 실제 이상적으로 순방향일 때와 역방향일 때의 동작 ID = ∞ A R = 0 Ω ID = 0 A R = ∞ Ω 실제의 경우 바이어스에 따라 저항이 존재하고 다이오드 양단에 전압이 존재 27

1.8 저항 다이오드는 직류와 교류전류에 따라 동작하는 특성이 다름 3가지 저항 성분으로 구분: 다이오드는 직류와 교류전류에 따라 동작하는 특성이 다름 3가지 저항 성분으로 구분: 직류저항 (static resistance): RD=VD/ID 교류저항(dynamic resistance): rd=(26mV/ID)+rB at Q point: rB는 거의 0에 가까움(0.1~2Ω) 평균저항 (average AC resistance): rav=ΔVd/ ΔId (pt-to-pt) 이 개념은 증폭기 소신호 동작을 이해하는데 도움이 됨 28

1.8 저항 수식으로 표현하면 순방향 바이어스의 교류저항은 동작점에서 주어진 다이오드미분의 역 29

1.8 저항 (예제) 다이오드는 직류와 교류전류에 따라 동작하는 특성이 다름 3가지 저항 성분으로 구분: 직류저항 (static resistance): RD=VD/ID 교류저항(dynamic resistance): rd=(26mV/ID)+rB at Q point: rB는 거의 0) 평균저항 (average AC resistance): rav=ΔVd/ ΔId (point-to-point) 30

1.9 다이오드 등가회로 보통의 경우 31

1.9 다이오드 등가회로 이상적인 경우 32

1.10 전이와 확산 커패시턴스 Depletion layer 에 의해 발생하는 양단의 built-in potential 때문에 마치 커패시턴스가 있는 것과 같은 현상이 발생함 커패시턴스 C는 단면적에 비례하고 거리에 반비례 따라서 바이어스 전압에 의하여 용량이 변함 순방향 바이어스에서 C가 확산전류에 에 의하여 더 커짐 C는 동작하는 주파수에 영향을 미침 33

1.11 역방향 회복시간 (Reverse Recovery Time) 즉 회로의 C나 L은 기억소자의 역할을 하므로 응답이 곧 없어지지 못함을 기억하기 바람 34

1.12 다이오드 사양서(specification sheet) 35

1.12 다이오드 사양서(specification sheet) 36

1.13 반도체 다이오드 기호 A는 anode K 는 cathode 37

1.14 다이오드 검사 다이오드 V-I 곡선 측정기 (Curve Tracer) 38

1.15 제너 다이오드(Zener Diode) 순방향 바이어스일 경우 보통의 다이오드와 같이 동작(0.7V) 역방향일 경우 어느 임계 전압까지 저항이 매우 큰 동작하며 다이오드 양단 전압이 증가 임계전압부터 저항이 갑자기 줄어들며 다이오드 양단 전압이 더 이상 증가하지 않고 일정한 전압유지 39

1.15 제너 다이오드(Zener Diode) 주로 역방향에서 이용(순방향에서는 일반 다이오드로 동작) 일정한 전압을 유지하게 하여 회로를 보호하는 역할을 함 온도에 민감 40

1.16 발광 다이오드 (LED, LCD) Forward Bias에 의해 충분한 에너지를 가진 hole과 electron 들이 접합면을 지나면 재결합(recombination)을 하게 되면 에너지를 빛으로 방출 41

1.16 발광 다이오드 42

1.16 발광 다이오드 43

1.16 발광 다이오드 LED Diode 색깔 구조 동작전압(V) Amber AlInGaP 2.1 Blue GaN 5.0 Green GaP 2.2 Orange GaAsP 2.0 Red GaAsP 1.8 White GaN 4.1 44

1.16 발광 다이오드 (LED) 하나의 IC 포장에 여러 개의 다이오드들을 포함 Common Anode Common Cathode 45

1.16 발광 다이오드 (LED) 7 segment diode 46