Microsoft PowerPoint - Chapter4&6(강의용)

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리경 류(유)
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1 h. 4 반도체소자 반도체 : 상온에서도체와부도체의중간쯤에해당하는전기전도도를가지는물질 불순물첨가 (doping) 또는결함으로인해서전기전도도가매우크게변함. 주기율표에서 4 족, 3-5 족, 2-6 족화합물 (Si, Ge, GaAs, AlAs etc. ) c = Å 1

2 원자가규칙적정렬을하는고체에서전자의상태 : 에너지밴드 E U E g a E V a 0 전도대 (conduction band) 에너지갭 ( 밴드갭 ) 가전자대 (valence band) E g =1.1 ev E E V E g =9 ev Partially filled conduction ban empty filled Si (Semiconductor) SiO 2 (nsulator) onductor E E V E E V 2

3 온도에따른전자의열적여기 (thermal excitation) 에의한전도전자의생성 At T = 0, 전자는가전대를꽉채우고전도대는비어있음. T 0 이면, 열에너지에의해전도대의전자는가전자대로여기될수있음. 전자가여기되고가전자대에전자의빈자리가생기는데, 이를홀 (hole: 정공 ) 이라함. 온도가증가하면, 전도대에전자가많이여기되고가전자대에홀도많이생김. 따라서, 전하운반자수가증가함. d 0 dt 3

( 정공 ) n-type ; 도너첨가 +5 ions (P, Sb, etc)

4 전자 (electron) 와홀 (hole) (-) 전하를갖는전자의빈자리를홀이라하므로정공은전기적으로 (+) 전하인것으로생각할수있음. 전자와홀은열적여기뿐만아니라 5족또는3족의불순물원소를도핑하여만들수있음. p-type : 억셉터첨가 +3 ions (, Al, etc) doping hole ( 정공 ) n-type ; 도너첨가 +5 ions (P, Sb, etc) doping electron ( 전자 ) electron hole 3+ 도너 (donor) 억셉터 (Acceptor) 4

5 pn 접합 (Junction) p- 형반도체와 n- 형반도체의접합 - 다이오드, 트랜지스터등반도체소자의가장기본적인형태 접합경계면근처에서전자와홀의밀도차이에의해확산현상이일어나서로결합하여소멸되고남아있는불순물이온이전기장을형성하여전기적평형이이루어짐. 전자를주는도너 (Donor) 와전자를받는억셉터 (acceptor) 의농도 (N d,n a ) 에따라서다이오드의특성변화 5

6 pn 접합에서밴드구조및페르미레벨 (Fermi level) move down by hole doping undoped ε A () (x) ε D (V) move up by electron doping V P type N type at equilibrium uniform - ions hole carriers V Electron carriers + ions uniform distribution of Fermi level

7 바이어스전압에따른 pn 접합의벤드구조및전류흐름 pn 접합다이오드의 V 곡선 e where, ev / kt 0( 1), 0 e ev 0 / k T 정류 (rectifier) 방정식 0 : 포화전류 V=0 ( 평형상태 ) 역방향전압 V 역방향 순방향 0.5 V 전류 - 전압 (-V) 곡선 순방향전압 V 7

8 6 장트랜지스터 (Transistors) 증폭기 1947 년 Willam Shockley 등이트랜지스터발명. - 진공관시대로부터실리콘기반전자공학의시대로변화 쌍극성 (ipolar) 트랜지스터 : 세개의반도체를연속접속하여두개의 PN 접합을갖는구조. PNP 형또는 NPN 형. 단극성트랜지스터 : 하나의 PN 접합을이용, 전계효과트랜지스터 (FET) Willam Shockley 세계최초의트랜지스터, 1947

9 쌍극성트랜지스터 (ipolar Junction Tansistor : JT) PNP 또는 NPN 으로세개의반도체 ( 두개의 PN 접합 ) 을가짐. 각각은이미터 (emitter), 베이스 (base), 컬렉터 (collector) 라함. npn TO-92 또는 TO-226AA 123 TO-92 또는 TO-226AE E TO-220A 2 베이스 1 이미터 3 컬렉터 TO-18 또는 TO-206AA pnp E TO-3 또는 TO-204AE 범용트랜지스터 : 일반적인스위칭용, 소신호증폭용 전력트랜지스터 : 작동기 / 스피커구동, 컬렉터가금속케이스와연결되어방열판의기능 ( 케이스 )

10 JT 의구조와작동특성 N + PN 트랜지스터구조 - 이미터 (E) 측의도핑농도를컬렉터 () 측에비해훨씬높게만듦. -E- 사이의공핍층이 - 공핍층보다얇음. E- 사이에순방향바이어스, - 사이에역방향바이어스 순방향 V E 에의해 와 E 사이의전위장벽이제거되고큰 E 흐르게됨 트랜지스터의증폭 베이스전류의작은변화는컬렉터전류의매우큰변화로나타남. 베이스전류 ( ) 에대한컬렉터전류 ( ) 의증폭율 : = E =(1+) = E PN 접합공핍층 N + P N 순방향 역방향

11 트랜지스터특성과파라미터 직류베타 () 와직류알파 () : 컬렉터전류와베이스전류의비 ( 전류이득 ), 20 ~200 : 컬렉터전류와이미터전류의비, 0.95 ~ 0.99 < 1 와 의관계 E E E = E =(1+) 순방향역방향

12 NPN vs. PNP 바이폴라트랜지스터 NPN 형트랜지스터 PNP 형트랜지스터 V E V E NPN 트랜지스터가 PNP 트랜지스터보다더높은전도도와동작속도를 가짐. 왜냐하면, 전자의이동도가홀의이동도보다대개더크기때문.

13 JT 의전압 - 전류특성 NPN 형트랜지스터 V E V E E 1 루프에키르히호프법칙적용 : 베이스와이미터간에흐르는전류 의계산 1 2 V V R V R V E E V V E 0.7V R 0.7 V 전류 : E,, 단자전압 : V E, V, V E 바이어스 : V, V 2 루프에키르히호프법칙적용 : 컬렉터와이미터간에흐르는전류 E 의계산 V V E V E R V V E E V E V R

14 전계효과트랜지스터 (FET) 단극성트랜지스터 : 쌍극성트랜지스터와는달리한종류의캐리어에의한전도. 하나의 PN 접합으로구성. 내부구조가 JT 와다름. 소스 (Source), 게이트 (Gate), 드레인 (Drain) 의 3 개의전극 게이트단자에외부바이어스전압을적절히가함으로서 PN 접합부에형성된공핍층의폭을증감시키면채널의폭을변화시켜전류의흐름을제어 FET 의종류 Depletion 형 : 게이트에전압을가하지않아도드레인과소스사이에전류가흐름. Enhancement 형 : 게이트에전압을가하지않으면드레인과소스사이에전류가흐르지않음. 드레인 (Drain) 드레인 (Drain) D D 게이트 (Gate) 게이트 N N G P P G P 채널 (Gate) N 채널 S S GD S 소스 (Source) P채널 FET 소스 (Source) N채널 FET RF520

15 Depletion mode N- 채널 FET 의작동특성 D : 전류는드레인에서소스로흐름 ( 즉, 전자는소스에서드레인으로움직임 ) 게이트전압 V GS 가 ( ) 로증가하면, 결핍층이늘어나소스와드레인사이의채널폭이줄어듦. PN 접합의기능은단지채널의폭을조절하는역할 D 차단영역 V DS D Depletion mode D Enhancement mode Dielectric layer 핀치오프전압 V GS(off) 0 V GS

16 Enhancement-mode FET 의작동특성 드레인 소스전류 D 는게이트전압 V GS =0 일때, 채널이형성되어있지않기때문에전류가흐르지않음. 게이트전압 V GS 가 (+) 로증가하면,N 채널이형성되어소스와드레인사이에전류가흐름 D 포화영역 차단영역 V GS ( off ) V DS

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<4D F736F F F696E74202D DC0FCB1E2C0FCC0DAC8B8B7CEB1E2C3CA> 전력전자 로봇 자동화공학부 www.dongyang.ac.kr 전기회로기초 - 학습내용 교류전압전류의표현방법 전력및역률 계측기사용법 전력용반도체소자및동작원리 전기회로기초 - 계측기사용법 함수발생기 함수발생기 (function generator) 또는신호발생기 (signal generator) 는디지털회로또는아날로그전자회로에정현파, 구형파, 삼각파등의신호를공급하는실험장비