원자(atom): 물질의 특성을 유지하는 원소 중의 아주 작은 입자 Bohr 원자 모델

Ch 1 I t d ti t Ch. 1 Introduction to

Electronics

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Yun SeopYu

1-1.원자의 구조(Atom)

원자(atom): 물질의 특성을 유지하는 원소 중의 아주 작은 입자 Bohr 원자 모델

원자핵( ) 양자 중성자 원자핵(nucleus): 양자 + 중성자 양자(proton): 양(+)로 대전된 입자 중성자(neutron): 비대전된 입자 중성자(neutron): 비대전된 입자

원자의 구성: 특정 수의 전자와 양자의 수를 갖는다

Yun SeopYu

참고자료: 주기율표(periodic table)

Yun SeopYu

1-1.원자의 구조

원자번호와 질량

원자번호(atomic number): 전기적으로 중성인 원자 속의 전자수 원자번 (a o c u be ) 전기적 중성인 원자 속의 전자수 주기율표: 원자번호와 질량 순으로 배열

중성상태: 모든 원소의 원자는 양자의 수와 동일한 전자 수를 갖으므로 전기적 중성

전자 각(shell)과 궤도(orbit)

전자: 핵으로부터 불연속적인 거리의 궤도에서 회전 Æ 불연속적인 에너지

Æ 불연속적인 에너지 에너지 레벨(energy level)

z 궤도:

원자핵으로부터 각각 불연속으로 떨어진 거리 - 원자핵으로부터 각각 불연속으로 떨어진 거리

Æ 특정에너지 준위에 대응

z 각(shell)으로 알려진 에너지대로 분류

z 개개의 각은 허용된 에너지 준위에서 한정된 수의 최대전자를 갖음

Yun SeopYu

1-1.원자의 구조

각(shell) 내에 전자의 수

N

N

z

N

n

K

L

M

주어진 원자 내의 모든 각은 최외각을 제외하고 전자가 완전히 채워져야 함 주어진 원자 내의 든 각은 최외각을 제외하 전자가 완전히 채워져야 함

Yun SeopYu

1-1.원자의 구조

가전자 (Valence)

가장 높은 에너지 준위를 갖는 전자 최외각( t t h ll)에 존재

z 최외각(outermost shell)에 존재

z 인력 최소

가전자각(valance shell): 최외각 가전자각(valance shell): 최외각 가전자: 최외각에 존재하는 전자

z 화학적 반응

z 전기적 특성

이온화 (Ionization) 이온화 (Ionization)

가전자가 충분한 에너지 획득 Æ 최외각 이탈 (자유전자: free electron) Æ (+) 전하증가 Æ 양이온

Yun SeopYu

1-2. 반도체, 도체 및 절연체(Materials used in electronics)

원자의 구성 : 가전자각, 코어(core; 내부각, 핵)

도체(Conductor) - 전류가 흐르는 물질

동 (Cu), 은(Ag), 금 (Au) 및 알루미늄 (Al) 등 느슨하게 묶인 가전자들의 이동 Æ 전류 생성 느슨하게 묶인 가전자들의 이동 Æ 전류 생성

절연체(Insulator) – 전류가 흐르지 못하는 물질 절연체(Insulator) 전류가 흐르지 못하는 물질

반도체(Semiconductor) - 전류를 흘릴 수 있는 능력을 가진 도체와 ( ) 능 절연체 사이에 존재하는 물질

Si, Ge, C, GaAs,

Yun SeopYu

1-2. 반도체, 도체 및 절연체

( )

에너지대 (Energy band)

Energy gap: 가전자가 가전자대에서 전도대로 이동하기 위해 필요한 에너지 양 전도대(Conduction band): 전도대에 들어간 전자는 물질 내를 자유롭게 움직일 전도대(Conduction band): 전도대에 들어간 전자는 물질 내를 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 됨

Yun SeopYu

1-2. 반도체, 도체 및 절연체

도체 원자와 반도체 원자 비교

Si Cu

원자가 14 29

원자가 14 29

코어(양자, 전자) +4 (14, -10) +1(29, -28)

인력 Large g Small

Si과 Ge

4개의 가전자

Si (3번째 각). Ge (4번째 각) Æ Ge에 적은 에너지 필요 Æ 온도 ↑: Ge 불안정

Æ 온도 ↑: Ge 불안정

Si 이 반도체 물질로 많이 사용

Yun SeopYu

1-2. 반도체, 도체 및 절연체

공유결합(covalent bond)

Yun SeopYu

1-3. 반도체내에서의 전류(Current in semiconductors)

여기되지 않은 실리콘 원자의 에너지대 다이어그램

절대온도 0K인 경우 절대온도 0K인 경우

Yun SeopYu

1-3. 반도체내에서의 전도

( )와

전도 전자 (Conduction electron)와 정공(hole)

주위에서 충분한 열에너지를 받으면 주위에서 충분한 열에너지를 받으면 실리콘 원자의 일부 가전자가

가전자대와 전도대 사이의 에너지 갭을 뛰어 넘을 충분한 에너지를 갭을 뛰어 넘을 충분한 에너지를 얻으면 자유전자 발생

Æ이 자유전자를 전도전자라 함

Yun SeopYu

1-3. 반도체내에서의 전도

전자전류(electron current)와 정공전류(hole current)

전자전류: 자유전자들의 이동 Æ 전류 정공전류: 정공들의 이동

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1-4. n형, p형 반도체(N-type and P-type semiconductors)

도핑 (doping)

순수 반도체에 불순물을 넣어 전자 또는 정공의 수를 증가 시키는 과정

수를 증가 시키는 과정 전도성 증가

형 반도체(N t i d t ) 전자의 n형 반도체(N-type semiconductor)- 전자의 수를 늘리기 위해 5가의 불순물 원자 첨가:

As, P, Bi, Sb Æ 도너 원자 (donor atom)

소수반송자 (minority carrier): 정공

P형 반도체(P-type semicondutor)– 정공의 수를 늘리기 위해 3가 불순물 원자 첨가: Al, B In Ga Æ 어셉터 원자 (acceptor atom) B, In, Ga Æ 어셉터 원자 (acceptor atom)

다수반송자 (majority carrier): 정공, 소수반송자 (minority carrier): 전자

Yun SeopYu

1-5. PN 접합 (PN Junction)

접합 형성 PN 접합 형성

n 영역의 전자 Æ p영역으로 확산 (밀도차) Æ PN 접합 부근 정공에 들어감 Æ 공핍층 형성

공핍층(depletion region)

공핍(depletion): 전자가 접합을 넘어 확산됨에 따라서 PN 접합 부근 영역의 전하반송자 공핍(depletion): 전자가 접합을 넘어 확산됨에 따라서 PN 접합 부근 영역의 전하반송자 (전자 or 전공)이 결핍되는 현상 Æ 접합을 넘어 계속 움직이는 전자들의 장벽으로 작용 장벽전위(barrier potential ): 이 공핍영역 양단의 장벽을 넘어 전자들이 움직이는데 요구되는 에너지 양 (전위차) Æ 바이어스 (bias)

요구되는 에너지 양 (전위차) Æ 바이어스 (bias)

z Si: 0.7 V, Ge: 0.3 V

Yun SeopYu

1-6. 다이오드 (Diode)

PN 접합의 에너지 다이어그램과 공핍 영역

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Homework (P. 23) - All Examples

- All Problems 1 - 11

17

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Ch 2 Di d d Ch. 2 Diodes and

Applications

Applications

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복습: PN 접합 (PN Junction)

접합 형성 PN 접합 형성

n 영역의 전자 Æ p영역으로 확산 (밀도차) Æ PN 접합 부근 정공에 들어감 Æ 공핍층 형성

공핍층(depletion region)

공핍(depletion): 전자가 접합을 넘어 확산됨에 따라서 PN 접합 부근 영역의 전하반송자 공핍(depletion): 전자가 접합을 넘어 확산됨에 따라서 PN 접합 부근 영역의 전하반송자 (전자 or 전공)이 결핍되는 현상 Æ 접합을 넘어 계속 움직이는 전자들의 장벽으로 작용 장벽전위(barrier potential ): 이 공핍영역 양단의 장벽을 넘어 전자들이 움직이는데 요구되는 에너지 양 (전위차) Æ 바이어스 (bias)

요구되는 에너지 양 (전위차) Æ 바이어스 (bias)

z Si: 0.7 V, Ge: 0.3 V

Yun SeopYu

Queation

What process stops the migration of charge across the boundary?

A potential is built up (called the barrier potential) that prevents A potential is built up (called the barrier potential) that prevents further charge migration.

Why do you think that the energy level in the n- region is

l th th i ?

lower than the p- region?

The n -region tends to have filled valence shells; conduction

electrons are shielded by these electrons, so they are further away y , y y

from the nucleus and have less energy.

Yun SeopYu

복습: 다이오드 (Diode)

PN 접합의 에너지 다이어그램과 공핍 영역

Yun SeopYu

2-1 다이오드 동작(Diode operation)

다이오드 구조: PN 접합

다이오드 기호

다이오드 기호

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2-1 다이오드 동작(Diode operation)

형 ( )

전형적인 다이오드 패키지(package)

K A K

K

A K

A A

K K

A

K A

K A

K

K

A K

K

A K

K A

Surface-mount diode package

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2-1. 다이오드 동작

순방향 바이어스 (forward bias)

순방향 Bias의 조건

z VBIAS 의 (-)쪽은 다이오드 n영역에

z VBIAS의 (+)쪽은 다이오드 p영역에 연결 VBIAS 는 장벽전위보다 커야 한다

z VBIAS 는 장벽전위보다 커야 한다.

순방향 바이어스의 영향

z 많은 전자들의 이동 Æ (+)이온 ↓

V

> 장벽전위

z 공핍층 영역 ↓

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2-1. 다이오드 동작

순방향 바이어스 (forward bias)

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

역 바이어스 (Reverse Bias)

p형(-)단자 연결, n형 (+)단자 연결 (+) 쪽 전자이동, (-) 쪽 정공이동

Î 공핍층 증가층

역전류(reverse current): 매우 적은 전류 Î P영역 소수전자와 N영역 소수 정공 Î P영역 소수전자와 N영역 소수 정공

소수전자

역방향 바이어스가 가해진 경우 전류가 거의 흐르지 않는다.

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

역항복(reverse breakdown):

역전압 증가 Æ 에너지증가(소수전자) Æ 애벌런치 (avalanche) 효과 발생

그림과 같은 전자의 증가를 애벌런치라고 함 Î avalanche breakdown

breakdown

원자 원자 원자

소수전자

공핍영역 통과, 정공과 재결합 없이 N영역 통과 Î 높은 역전류 발생 (PN 구조 손상)

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2.2. 다이오드의 전압-전류특성

순방향 바이어스를 가한 경우의 I-V 특성

동저항(dynamic resistance)-동적또는 교류저항 ' ΔV /ΔI

z r_d' = ΔV_F/ΔI_F

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

역방향 바이어스의 I-V 특성

항복전압

(Breakdown voltage)

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

전영역의 I-V 특성 곡선

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

온도 효과

온도 ↑Æ 순방향: 전류 ↑, 전압 ↓ 온 ↑Æ 순방향: 전류 ↑, 전압 ↓ Æ 역방향: 전류 ↑