기초전자회로

[본문 이어서]

[2] 도체로서의 반도체

진성반도체는 부도체에 가깝지만 다음 두 가지 경우 캐리어가 생성되어 전도성을 가질 수 있다.

진성반도체에 에너지가 가해지는 경우 :

진성반도체의 공유결합은 비교적 강한 결합이지만 주위로부터 열에너지 또는 광에너지를 받으면 공유결합이 일부 깨지면서 결합에 구속되었던 가전자들이 결합 밖으로 튀어 나와 반도체 내를 자유롭게 이동할 수 있는 자유전자가 된다. 그리고 자유전자가 생성되고 난 바로 그 빈자리에는 다른 원자에서 떨어져 나온 자유전자가 채울 가능성도 있다. 전자가 빠져나간 빈자리를 정공(hole)이라고 하는데 정공을 다른 전자가 채우면 다른 곳에 정공이 생겨서 마치 정공이 이동하는 것처럼 간주할 수 있다. 정공의 이동방향은 전자의 이동방향과 반대이므로 음의 극성인 자유전자와 극성이 반대인 양의 극성을 갖는 입자처럼 볼 수 있다.

진성반도체에서는 전자가 빠져나간 자리에 정공이 생기는 것이므로 그림 1.2 (b)와 같이 전자와 정공은 쌍으로 생성된다. 이를 전자-정공쌍(electron-hole pair)이라고 한다. 일단 생성된 자유전자와 정공은 반도체 결정 내를 자유롭게 이동할 수 있는 캐리어가 된다. 그런데 상온(300 oK)에서 실리콘의 경우 전자농도 , 정공농도 라고 할 때, 가 되며 /cm3 정도 되어 캐리어의 수가 충분하지 못하므로 상온에서는 거의 부도체에 가깝다고 볼 수 있다. 여기서 를 진성 캐리어농도라고 하며 온도가 증가하면 지수함수적으로 증가한다.

진성반도체에 불순물이 첨가되는 경우 :

순수한 Si 또는 Ge에 주기율표에서 인접한 Ⅲ족 혹은 Ⅴ족의 원자를 첨가하면 캐리어의 농도가 상승하여 도전율이 증가한다. 이와 같은 불순물의 첨가과정을 도핑(doping)한다고 하며, 첨가되는 불순물을 도펀트(dopant)라고 한다. 도핑된 반도체는 불순물 반도체 또는 외인성 반도체(extrinsic semiconductor)라고 부른다. 외인성 반도체는 도핑 농도에 따라 도전율을 조절할 수 있다.

ㆍ n형 반도체와 p형 반도체

외인성 반도체는 어떤 종류의 불순물을 첨가하는가에 따라 형 반도체와 형 반도체로 나누어 볼 수 있다.



[1] n형 반도체

순수한 실리콘(Si) 결정에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)와 같은 5족 원소의 물질을 첨가하면 5족 원소를 둘러싼 4개의 Si 원자와 하나씩 공유한 4개의 전자에 Ⅴ족 원자 자신이 가지고 있는 5개의 최외각전자를 합하여 9개의 최외각전자를 갖게 된다. 최외각에는 8개의 전자가 채워지면서 안정한 전자구조를 이룰 수 있으므로 하나의 전자가 남게 된다. 이러한 상태를 그림 1.3 (a)에 보였다. 이렇게 남은 최외각전자는 최외각을 채우고 나서도 여분으로 남아 있는 전자이기 때문에 결합력이 상대적으로 약하다. 따라서 약간의 외부에너지만 받아도 Ⅴ족 원자의 구속에서 벗어나 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 된다. 이 경우 Ⅴ족 원자는 (＋)이온이 된다. 이렇게 주기율표상의 Ⅴ족 원소는 전자를 준다는 의미에서 도너(donor)라고 한다.

도핑할 때 도너의 주입량을 증가시켜, 즉 농도를 높여 전자가 많아지면 질량작용의 법칙(mass action law)에 따라 재결합이 일어나 정공과 전자가 쌍으로 줄어들면서 평형조건인 을 만족시킨다. 그러므로 전자의 농도는 보다 커지고 정공의 농도는 보다 작아져 전류는 주로 음전하를 띤 전자에 의하여 흐르게 된다. 이러한 반도체를 negative 또는 n형 반도체라고 한다. 그리고 형 반도체 안에 많이 있는 다수 캐리어(majority carrier)는 전자가 되고, 적게 들어 있는 소수 캐리어(minority carrier)는 정공이 된다.



[2] p형 반도체

한편 순수한 실리콘의 결정에 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In)과 같은 3족 원소의 물질을 첨가하면 그림 1.3 (b)에 보인 대로 전자가 하나 부족할 것이므로 다른 곳의 전자 하나를 받아 최외각을 8개의 전자로 채우려할 것이다. 실제로 다른 Si 원자에 공유결합 되어 있는 전자는 작은 에너지만 받고도 Ⅲ족 원소의 빈자리를 채운다. 이렇게 전자가 떠난 곳에는 자유롭게 움직일 수 있는 빈자리, 즉 정공이 생기며 Ⅲ족 원자는 전자를 받고 (－)이온이 된다. 이처럼 정공을 생성시키는 Ⅲ족 원자를 억셉터(acceptor)라고 한다.

억셉터를 넣어주어 정공이 많아지면 질량작용의 법칙에 따라 전자와 정공의 재결합이 일어나 전자와 정공이 쌍으로 없어진다. 그리고 평형상태가 되면 형 반도체에서와 같이 이 된다. 이에 따라 정공의 농도는 보다 높아지고 전자의 농도는 보다 낮아져 (+)전하의 정공이 다수 캐리어가 된다. 이러한 반도체를 positive 또는 p형 반도체라고 하는데, 형 반도체와는 달리 (＋)전하를 띤 정공이 다수 캐리어가 되고 전자가 소수 캐리어가 되기 때문이다.

제1장 전자회로의 기초 / 07

1.1. 전자회로란 무엇인가? / 07

1.2. 반도체와 전자회로의 관계 / 10

1.3. 전압, 전류에 대한 기호 규약 / 16



제2장 다이오드 회로 / 19

2.1. 다이오드를 어떻게 볼 것인가? / 20

2.2. 다이오드 응용회로 / 27

2.3. 제너 다이오드 / 45



제3장 연산 증폭기 / 52

3.1. 연산 증폭기란? / 52

3.2. 좋은 연산 증폭기를 고르려면? / 56

3.3. 교류 신호와 연산 증폭기 / 65

3.4. 연산 증폭기의 등가회로 / 70



제4장 연산 증폭기 회로 : 선형회로 / 76

4.1. 선형 연산 증폭기 회로 해석법 / 77

4.2. 저항만을 포함하는 연산 증폭기 회로 / 86

4.3. 연산 증폭기 회로의 주파수 응답 / 96



제5장 연산 증폭기 회로 : 비선형 회로 / 109

5.1. 다이오드와 연산 증폭기의 만남 / 109

5.2. 멀티바이브레이터 / 129



제6장 트랜지스터 / 156

6.1. BJT / 157

6.2. JFET / 174

6.3. MOSFET / 186



제7장 트랜지스터 증폭기 / 204

7.1. 증폭기 해석의 기본 / 204

7.2. BJT 증폭기의 DC 해석 / 213

7.3. JFET 증폭기의 DC 해석 / 231

7.4. MOSFET 증폭기의 DC 해석 / 244

7.5. BJT 증폭기의 AC 해석 / 256

7.6. FET 증폭기의 AC 해석 / 278

최남섭 KAIST 전기및전자공학과 공학박사

Wisconsin-Madison 주립대학 Visiting Professor

미시건주립대학 Visiting Professor

현, 전남대학교 전기전자통신컴퓨터공학부 교수