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전자소자와 전자회로의 기초

Ⅱ. 전자소자와 전자회로이 기초       ☞전기일반목차                     

반도체	n형과 p형 반도체	도너와 억셉터	pn반도체 접합	pn접합에 전압을 가한경우
다이도드의 전기적특성	제너다이오드	가변용량다이오드	터널다이오드	발광다이오드
트랜지스터의 구성과 동작	트랜지스터 동작 및 증폭작용	트랜지스터의 전기회로적 특성	트랜지스터 형명표시법	전계효과 트랜지스터 (FET)
단일접합트랜지스터(UJT)	사리스터=실리콘제어정류기(SCR)	다이액 (Daic) 트라이액(Triac)	집적회로	그 밖의 소자 (진공관, 광소자열전소자,서미스터,베리스터

1. 전자소자

(1)다이오드

[1]반도체                                                                                                          

 ▷ 도체 : 저항값이 "0"에 가깝다 -> 금속

 ▷ 반도체 : 저항값이 도체와 반도체 중간 ->Ge, Si

 ▷ 부도체 : 저항값이 수십 ㏁ 이상 ->종이, 운모

 (가) 진성반도체 : 일반적으로 외각 전자가 4개인 순수한 반도체

   ▶ 불순물 반도체 ( p형과 n형 반도체를 말함)   진성반도체(가전자 4개)에 가전자가 3개 또는 5개

       인 원자를 섞어서 만듬

   ▶ 공유결합 : 원자들이 서로 균형있게 결합된 상태   (전자서로 공유)

   (나) 자유전자 : 전자가 공유결합에서 벗어난 전자   (전류의 흐름은 자유전자에 의해서 이루어짐)

   ▶정공 : 전자가 이탈한 자리

[2] n형 반도체와 p형 반도체                                                                                 

 (가) n형 반도체 : negative

◆ 진성반도체(4가 원자) + 5가 원자(비소, 안티몬) --> 자유전자 생성       됨 --> 전기전도율 제어

(나) p형 반도체 : positive

◆ 진성반도체(4가 원자) + 3가 원자(붕소,인듐) --> 정공이 생긴다 -->      전자가 정공으로 이동

(다) 다수 반송자와 소수 반송자

  반송자(carrier) : 전하를 운반하는 전자나 정공

반도체	다수 반송자	소수반송자
n형	전자	정공
p형	정공	전자

[3] 도너(doner)와 억셉터(acceptor)                                                          

  1)도너 : n형 반도체를 만드는 5가의 불순물 원자 다수 반송자인 전자를 만든다(인, 비소, 안티몬)

  2)억셉터 : p형 반도체를 만드는 3가의 불순물 원자 다수 반송자인 전공를 만든다(붕소, 알루미늄,

                 인듐)

[4] p형 및 n형 반도체의 접합

-그림과 같이 n형과 p형 반도체를     접합시킨다      (기계적 접합이 아니고 화학적 접        합) -접합면에서 전자와 정공이 상대방       층으로 확산하여 공핍층을 형성       하게 된다. -공핍층에는 전자와 정공이 존재하     지 않으며, Vd의 확산전위차가 생     기게 된다 -공핍층을 콘덴서와 같은 용량의 기   능을 가진다고 볼 수 있으며, 이것을   장벽용량 혹은 공간 전하 층이라고   한다 -응용 : 다이오드와 트랜지스터를 만    드는 기본이다.

[5] pn 접합에 전압을 가한 경우                                                                        

(가) 순방향 특성     -n형 반도체에 (-)전압, p형 반도체에 (+)전압을 가 한상      태-->공핍층이 사라지고 전류흐름(순방 향 전류) -->      스위치 ON 상태     -순방향 전류 : 전자와 정공의 확산의 원리로 흐름 (나) 역방향 특성      -n형 반도체에 (+)전압, p형 반도체에 (-)전압을 가 한        상태--> Vd 확산전위차 강화 (공핍층 확대)   -->전       자와 정공 이동 없음-->스위치 OFF상태     -누설전류 : 역전압을 걸어도 진성반도체에 의한 극 소       수의 전자와 정공에 의해 흐르는 전류

[6] 다이오드의 전기적 특성

-그래프 중요-->순방향 쪽에서 순방   향 특성에 의 해서 전류 급격히 증   가  -->스위치 on 상태 -역방향 특성에 의해 역방향쪽 전   류 흐르지 못함 off

[7] 특수 다이오드

    (가)제너다이오드   (Zener Diode)                                                                  

-불순물농도가 높다-공핍층이 좁다   -역전압인가-->Vz에서 전류급격히 증가(제너현상)   -->제너전압   -정전압다이오드 : Vz에서 전류의 변화에 따라 전압이 일정     하다.

(나)가변용량 다이오드 (Variable capacitance diode)                                              

-역방향 전압이 가해진 pn접합 -->콘덴서(정전용 량) 기능     을 가짐--> 에 비례    -역방향 직류전압으로 정전용량 변화시킴   -용도 : FM 수신기, TV수신기의 국부발진기     LC발진기의 C값 가변시킴

(다) 터널다이오스(tunnel diode)

-불순물 농도 매우 크게-->공핍층(공간전하영   역)이 좁다. -부성저항 특성-그래프에서 ⓐⓑⓒ로 변화    하는 과정 -용도 : 극초단파 발진기, 고속스위칭 회로

(라)발광다이오드 (LED light emitting diode)                                                       

-순방향 전압인가-->발광  -특징 : 수명이 길다,  소비전력이 적다, 응답속도가 빠르다, 여러 가지 색             을 얻을 수 있다. -용도 : 각종조명기구, 자동차 디지털계기 표시장치

(2) 트랜지스터 (transistor)

[1]트랜지스터의 구성과 동작

 [2]트랜지스터 동작                                                                                        

1) 전원연결     -켈렉터 단자 +5∼100 [V] 이미터기준     -베이스 단자에 (-) 전압     -컬렉터 접합 -->역방향 전압     -이미터 접합 -->순방향 전압 2) 베이스층     -다수반송자(정공)을 적게한다(npn형 기준)     -폭을 매우좁게 만듬 3) 작용      이미터전자->순방향전압에 의해-> 베이스      로 확산 ->베이스에는 정공이 적어->베      이스로 확산된  전자가 ->컬렉터 접합에 도      착->컬렉터에 걸린 강한 역 전압에 의해 전     자는 컬렉터 쪽으로 급격히 이동-> 큰 전류      흐름 4) 베이스 전류 : 베이스 영역에 유입된 전자에     의해 정공과 재결합이 부분적으로 일어나므     로 약간의 전류흐름

[3] 회로소자에서의 트랜지스터 동작

-베이스 IB 전류(수도밸브)     -->Ic 전류제어 (물)  -작용 : 증폭, 발진, 변조, 검파

[4]트랜지스터의 증폭작용                                                                                 

α: 베이스 공통 전류증폭율 ( 0.99 )

β: 이미터 공통 전류증폭율 ( 100 ) 500∼1000

I_CBO : 컬렉터 접합의 누설전류

I_E : 이미터 전류

I_C =αI_E + I_CBO

I_E = I_E + I_C

위 두식에서 ▶ I_C = β·I_B -(β+1) I_CBO

※  α를 "0.99"로하면 β는100이 되고 α가 "1"에 가까울 수록β는 커지며 β가 500∼1000에 달하는

    트랜지스터도 있다.

[5]트랜지스터의 전기회로적 특성

     -트랜지스터의 표준동작(직류동작)

    ① 컬렉터 전압 3∼100 [V]=>역방향 전압인가

    ② 이미터 전압 1∼2 [V]=>순방향 전압인가

       I_C =αI_E ==>α = 0.99--

       I_C = β·I_B ==>β=50∼500

    -교류동작 i_c, i_e, i_b ==>직류동작과 같이 α,β 관계가 이루어 진다.

     ● 아래 표에서 각 회로별로 전류증폭율 및 임피던스, 용도를 잘 알아두자

◎트랜지스터의 형명 표시법                                                                                  

①의 숫자 : 반도체의 접합면수

(0 : 광트랜지스터, 광다이오드, 1 : 각종 다이오드, 정류기, 2 : 트랜지스터, 전기장 효과 트랜지스터, 사이리스터, 단접합 트랜지스터, 3 : 전기장 효과 트랜지스터로 게이트가 2개 나온 것).

S는 반도체(Semiconductor)의 머리 문자.

②의 문자 : A,B,C,D 등 9개의 문자

(A : pnp형의 고주파용, B : pnp형의 저주파형, C : npn형의 고주파형, D : npn형의 저주파용, F : pnpn사이리스터, G : npnp 사이리스터, H : 단접합 트랜지스터, J : p채널 전기장 효과 트랜지스터, K : n채널 전기장 효과 트랜지스터)

③의 숫자 : 등록 순서에 따른 번호. 11부터 시작.

④의 문자 : 보통은 붙지 않으나, 특히 개량품이 생길 경우에 A, B, …, J까지의 알파벳 문자를 붙여 개량 부품임을 나타냄.

예) 2SC316A → npn형의 개량형 고주파용 트랜지스터

[6]트랜지스터의 종류

가)전계효과 트랜지스터 (FET field effect transistor)                                              

    1) 작용 : 전기장에 의한 전류제어 -->게이트 전압에 의해 -->증폭작용을 한다.

기호	p 채널	n 채널	극성
접합형			D : 드레인 S : 소 스 G : 게이트
MOS형

나) 단일접합 트랜지스터 UJT(unijunction transistor)                                              

-더블베이스 다이오드 -부성저항 특성이 있다 -용도 : 저주파 및 중간주파 범위 스위칭 소자              SCR게이트 펄스용 트리거 소자

(3) 사리스터 thyristor

    - pnpn 4층구조의 반도체

    - 실리콘 제어 정류기

    < SCR : silicon controlled rectifier >                                                                       

[1] 동작원리 1) 구조   A : 양극 ( 애노드 anode )    K : 음극 ( 캐소드 cathode )    G : 게이트 gate

2) 작용      - J1, J3에 순방향 전압 , J2에 역방향 전압(공핍층 증가)      - 게이트에 (+)전압 인가 --> A-K 도통 (VBO 전압에서) 그림그래프 참조 -->통전상태         -->턴 온 (Turn-ON)=점호  3) VBO = 브레이크 오버 전압  4) 브레이크 오버에 이르기까지 상태 : 순방향 저지    5) 통전시 사리스터 전압강하 1∼2 [V]  6) 통전상태 유지      -게이트 전류와 무관      -A-K사이 전류 수십[mA]이상 순방향이면 유지  7) 턴 오프(Turn-Off) : 소호      -A-K사이 전류 수십[mA]이하로 떨어지면 off      -A-K사이 순간적인 역전압 인가  8) 특성      -소형이며, 경량이다      -고속동작, 제어가 용이,  9) 용도      -개폐장치 (작은 전압으로 큰 전압 제어)      -전력변환 소자      -교류출력제어

[3] 다이액소자 (Diac)                                                                                                 

1) 구조 : SCR을 2개 역병렬로 접속한 형태  2) 작용     - SCR-->순방향으로 작용     - 다이액--> 양방향으로 작용 ==>교류제어     - T1, T2 양방향에서 통전시킬 수 있음  3) 용도     -과전압 보호용     -트리거 소자

[4] 트라이액 (Triac triode Ac switch)                                                                           

1) 구조    - 5층의 쌍방향성 소자    - SCR을 역병렬로 접속하고 게이트 만듬  2) 특징    - 주 전류 양방향으로 흐름    - 게이트 전류 양, 음 어는 전류에도 트리거      됨    - 교류전력 제어에 편리  3) 용도    -중, 소 교류전력 제어    -위상 제어    - ON/OFF 제어

 (4) 집적 회로(P80)                                                                                                   

   집적회로(IC)는 다이오드, 트랜지스터, 저항기, 콘덴서 등이 연결된 회로를 하나의 칩으로 구성한 한 개의 칩 안에

능동소자와 수동소자를 조합, 전자회로를 구성한 것이다.

※ IC의 장점

     ① 초소형화 및 경량화

     ② 신뢰성과 경제성 향상

     ③ 고속화

     ④ 기능의 단위 부품화

     ⑤ 사용의 편리함

1) IC의 종류

명 칭	소 자 수
소규모 집적회로(SSI)	100개 정도
중규모 집적회로(MSI)	100∼1,000개 정도
대규모 집적회로(LSI)	10,000개 정도
초대규모 집적회로(VLSI)	100,000개 정도

디지털 IC	논리용 IC	바이폴라 IC	TTL IC 등
		MOS IC	CMOS IC, PMOS IC 등
	메모리 기억용 IC	ROM, RAM

가) ROM(read only memory)

     전원이 차단되어도 기억 내용을 유지하는 IC 이며, 그 내용을 변화시킬 수 없다.

     mask ROM, PROM, EPROM 등이 있다.

나) RAM(read available memory)

    전원이 차단되면 기억 내용이 모두 지워지는 IC 이며, 데이터를 비순차적으로 읽고 쓸 수 있다.

    SRAM과 DRAM 이 있다.

    ▶ DRAM의 특징 : 회로가 간단하여 전력 소모가 적고, 작동 속도가 빠르며, 집적도가 높고,

                               가격이 저렴하여 대용량 기억장치에 주로 쓰인다.

2) IC의 특징

   ① 소형의 가벼운 전자기기를 만들 수 있다.

   ② 신뢰성이 높다.

   ③ 비용이 저렴하다.

   ④ 회로가 간단하게 된다.

   ⑤ 신호전달이 신속하다.

(5) 그 밖의 소자                                                                                                   

  1) 진공관 (p83 그림 참조) : 진공 중에서 전자의 운동을 이용하는 장치

   * 음극(cathode; K) : 전자 방출                                                                                 

   * 양극(plate; P) : 전자를 모음

   * 그리드(gride; G) : 전자의 이동을 제어함

   * 히터(heater; H) : 음극을 가열

   ▶ 2극관과 3극관이 있으며 2극관은 정류작용을 하며 3극관은 증폭작용을 한다.

   ▶ 3극 진공관의 문제점을 보완하여 제2그리드(스크린 그리드), 제3그리드(서프레서그리드)를 추가하여

        5극관으로 만들어 사용한다.

   ▶ 각 그리드 작용 : 그림참조

   ▶ 5극 진공관 작용 : 증폭, 발진, 변조, 검파 작용을 한다

2) 광전지 소자(p83 그림 참조)

▶ p형과 n형의 접합면에 빛을 쬐면 가전자와 정공이 분리되며 이들 숫자가 서로 달라 전위차가 생겨서 전원을 얻게된다(광전지) ▶ 종류 : pn접합형 광전지, 셀렌 광전지, 점접촉형 광전지, 태양전지

   3) 포토 트랜지스터(p83 참조)                                                                           

▶  npn 광 트랜지스터는 베이스는 투명한 창이며 이미터와 컬렉터       단자가 있다. 투명한 창(베이스)으로 빛이 들어오면 컬렉터와       이미터 사이에 큰 전류가 흐르게 된다.          빛의 양에 따라 전류의 흐름을 제어할 수 있다.(빛의 양이       많아지면 전류의 흐름도 커진다)  ▶ 광감도 : 셀렌 광전지의 300~1000배 (즉 빛에 민감하게 작용한                   다)  ▶ 용도 : 광전변환소자               (빛의 에너지를 전기에너지로변환 ) = TV 촬영 카메라

4) 열전 소자(p84 참조)

    펠티어 효과(peltier effect) 와 제베크효과 (Seebeck effect)를 이용한 소자         

펠티어 효과		▶ 금속, 반도체를 접속한 두 점사이에 폐로       를 구성. 전류를 흘리면 한쪽은 열을 발       생하고, 다른 쪽은 열을 흡수하는 현상.  ▶ 용도 : 전자냉각
제베크효과		▶ 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게        접속하고, 접속한 2점 사이에 온도차를       주면 기전력이 발생하여 전류를 흘리는       현상  ▶ 용도 : 100 ℃로 하면, 4.24 mV의 기전력       이 생김 : 열전발전이 연구되고 있음

 5) 서미스터(p84 참조)                                                                                       

▶ 일반적인 금속과는 달리, 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 부저항온도계수(負抵抗溫度係數)의 특성을 가지고 있는데 이것을 NTC(negative temperature coefficient thermistor)라 한다. 구조적으로 직열형(直熱形) ·방열형(傍熱形) ·지연형(遲延形)으로 분류되는데, 외형은 깨알만한 것에서부터 동전 크기만한 것까지 여러 종류가 있다.  ▶ 재료 : 코발트, 니켈, 망간, 철, 구리, 티탄의 합금  ▶ 용도 : 체온계 ·온도계 ·습도계 ·기압계 ·풍속계 ·마이크로파전력계 등의 측정용이나 통신장치의 온도에 의한 특성변화의 보상, 통신회선의 자동이득조정 등 이용분야는 넓다.

6) 배리스터(p84 참조)

▶ 양 끝에 가해지는 전압에 의해서 저항값이 변하는 비선형(非線形) 반도체 저항소자. 전압이 상승하면 저항값도 증가하여 전류의 흐름을 저지한다. ▶배리어블 레지스터(variable resistor)의 약칭이다. 가해지는 전압의 극성에 관계없이, 전압의 크기만에 의해 저항이 정해지는 대칭형 배리스터와, 가해지는 전압의 극성에 의해서 달라지는 비대칭형 배리스터가 있다. ▶재료 :비대칭형 배리스터는 셀렌 ·게르마늄 ·실리콘 등의 반도체다이오드가 유용되며, 또 대칭형에는 실리콘카바이드나 비대칭형을 2개 조합해서 사용한다. ▶용도 : 전기접점(電氣接點)의 불꽃을 소거하거나 반도체 정류기 ·트랜지스터 등의 서지전압(surge voltage)으로부터의 보호에 사용한다.

출처: <http://jojo.namoweb.net/elec-5/semi/semicon.htm>

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