(실험1) PN접합다이오드의 전류-전압특성 조선대학교 정보통신공학부 최동유 ⓒSaebyeol Yu. Saebyeol’s PowerPoint 목차 A table of Contents Part 1. 실험목적 Part 2. 통계의 역설 사례-1PN 접합 다이 오드의 전류-전압 특성 이해하기 Part 3. 실험 진행하기 Part 4. Q&A ⓒSaebyeol Yu. Saebyeol’s PowerPoint Part 1. 실험목적 시뮬레이션을 통해 PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성을 예측한다. PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성을 확인한다. 1 Part 2. PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성 이해하기 N형반도체 - 진성반도체의 전도 대역에 자유전자를 증가시키기 위해 4가의 실리콘과 게르마늄에 인(p), 비소(As), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원자(불순물)을 첨가한 반도체를 말함 - 안티몬 원자의 가전자 5개 중 4개는 실리콘 원자와 공유결합하여 최 외각 전자가 8개가 되고, 나머지 한 개가 자유 전자가 됨 - 자유전자의 수는 불순물 농도에 의해 결정됨 - 다수 캐리어 : 불순물에 의해 형성되는 다수의 자유전자를 말함 - 소수 캐리어 : 공기 중의 열에 의해 발생하는 소수의 정공 - 전자 한 개를 제공하기 때문에 n형 반도체를 도너 원자(donor atom)라고도 부름 [그림 1] 안티몬 원자와 실리콘 원자의 공유결함 2 Part 2. PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성 이해하기 P형반도체 - 진성반도체의 가전자 대역에 정공수를 증가시키기 위해 4가의 실리콘(게르마늄)에 알루미늄(Al), 붕소(B), 인듐 (In), 갈륨(Ga) 등과 같은 3가 원자(불순물)을 첨가(도핑)한 반도체를 말함 - 붕소원자의 가전자 3개는 실리콘 원자와 공유결합하여 최외각 전자가 7개가 되고, 최외각에 1개의 전자가 부족하게 되어 정공을 형성(최외각에 전자가 8개가 되어야 안정) - 정공의 수는 불순물 농도에 의해 결정됨 - 다수 캐리어 : 불순물에 의해 형성되는 다수의 정공을 말함 - 소수 캐리어 : 공기 중의 열에 의해 발생하는 소수의 자유전자 - 전자 한 개를 끌어당겨 비어 있는 정공을 채우려 하기 때문에 억셉터 원자(acceptor atom) 라고도 부름 [그림 2 붕소원자의 실리콘 원 자의 공유결함 3 Part 2. PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성 이해하기 PN접합 다이오드 - N형 반도체와 P형 반도체를 접합하여 만든 반도체를 말함 - N형 반도체와 P형 반도체를 접합하면 PN접합 근처에 있는 N형 반도체의 전자와 P형 반도체의 정공의 재결합이 이 루어짐 - 재결합이 발생한 곳 N형 반도체는 양이온(+), P형 반도체는 음이온(-)이 됨 - 전자와 정공이 존재하지 않는 곳 공핍층(depletion layer)이 생성됨 전위장벽 : 순방향 상태에서 전도전자가 공핍층을 통과할 수 있는 에너지로써 실리콘은 0.7V, 게르마늄 0.3V [그림 3] PN접합 다이오드 4 Part 2. PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성 이해하기 순방향 바이어스 (Forward Bias) - PN접합을 통하여 전류가 잘 흐름(=스위치 on) - 전원의 양극(+): P형 반도체(Anode) - 전원의 음극(-): N형 반도체(Cathode) - 전위 장벽: 실리콘 0.7V, 게르마늄 0.3V - 공핍영역 감소 [그림 4] 다이오드의 순방향 바이어스 5 Part 2. PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성 이해하기 역방향 바이어스 (Reverse Bias) - PN접합을 통하여 전류가 잘 흐르지 못함(=스위치 off) - 전원의 양극(+): N형 반도체(Cathode) - 전원의 음극(-): P형 반도체(Anode) - 소수 캐리어에 의해 매우 적은 누설전류가 존재함 - 공핍영역 증가 [그림 5] 다이오드의 역방향 바이어스 6 Part 2. PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성 이해하기 PN 접합 다이오드 전류-전압 특성 곡선 [그림 5] 다이오드의 역방향 바이어스 7 Part 3. 실험 진행하기 회로 구성하기 8 Part 3. 실험 진행하기 회로 점검하기 - 브레드보드에 부품 질장 완료 후 멀티미터를 통해서 부품의 단락, 접촉 불량 등을 점검 - DC 전원과 접지 사이의 단락(short) 여부를 점검 - DC 전원과 접지로 연결되는 노드들의 단락/개방 여부를 점검 DC 전원 연결하기 - DC 전원공급장치의 출력이 0V가 되도록 설정, 실험회로의 VDD단자에 연결 9 Part 3. 실험 진행하기 전압 측정하기 - 다이오드 양단의 전압 VD와 저항 R1 양단의 전압 VR1을 측정할 수 있도록 멀티미터를 연결 - [표 1-2]에 나열된 VD값이 되도록 DC 전원 공급장치의 출력 전압을 조정한 후, 저항 R1 양단의 전압 VR1을 측정하여 표에 기록 - 측정된 VR1 전압으로부터 다이오드의 전류 ID=VR1/R1을 계산하여 [표 1-2]의 해당 칸에 기록 10 Part 3. 실험 진행하기 시뮬레이션결과 11 Part 4. Q&A 예제 1 [참고문헌] 처음 만나는 전자회로(한빛미디어). 황형수 지음 12 Part 4. Q&A 예제 2 [참고문헌] 처음 만나는 전자회로(한빛미디어). 황형수 지음 13