01. 반도체의 개요
반도체란 도체와 절연체 사이에 있으면서 어느 것에도 속하지 않는 물질로 고유저항을 10-3 ~ 10 6 Ω㎝정도 지니고 있으며, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 및 셀렌(Se) 등이 있다
특히 다음과 같은 성질을 지닌 것을 일반적으로 반도체(semi conductor)라 한다.
① 전기저항의 온도계수가 부(-)이다. 즉, 온도가 상승하면 저항 값이 감소한다
② 다른 원자를 매우 작은 양이라도 혼합하면 전기저항이 크게 변화한다
③ 빛을 비추면 전기저항이 변화한다
④ 교류(AC)전원에 접속하면 빛을 낸다
02. 반도체의 기초사항
게르마늄이나 실리콘의 결정은 상온에서도 몇 개의 자유전자 있으며, 여기에ㅔ 높은 전압이나 온도 등을 가하면 전기저항의 변화로 인하여 공유결함이 파괴되어 전자의 이동이 쉬워진다. 따라서 게르마늄과 실리콘에 매우 작은 양의 다른 원소를 첨가하여 전압이나 온도에 대하여 민감하게 반응하는 반도체 성질을 얻을 수 있다
가전자의 작용 : 가전자란 가장 바깥쪽 궤도에 있는 전자이며, 이것은 원자핵으로부터 가장 멀기 때문에 원자핵과 결속이 약하다. 어떤 원자로부터 1개의 가전자가 튀어나온다고 가정하면, 그 원자는 1개 분량만큼 음(-)전하를 상실한 것이 되므로 그 때까지의 전기적 평형이 무너져 원자는 양(+)전하를 지니게 된다. 또 1개라도 다른 것으로부터 전자를 받으면 1개 분량만큼 음(-)전하가 증가한 것이 되어 원자는 음(-)전하를 가지게 된다. 원자로부터 전자가 튀어나게 하려면 외부로부터 에너지가 필요하다
반도체의 결합 : 1개의 실리콘 원자는 인접한 4개의 원자와 가전자를 공유하여 결합되어 있다. 또 실리콘 원자는 다이아몬드 구조라 부르는 공유결합이기는 하지만 다이아몬드 원자와는 다르게 그 결합은 비교적 약하다. 실리콘이나 게르마늄은 공유결합의 세기가 절연체와 도체의 중간에 있으므로 반도체라 부르며, 약간의 전도성이 있다.
반도체의 전류흐름 : 실리콘에 전압을 가하면 가전자에는 전류의 흐름방향과 반대방향으로 힘이 작용되고 이 상태에서 전압을 서서히 높이면 어떤 점에서 전압에 의한 힘이 원자핵으로부터의 인력보다 크므로 가전자는 궤도에서 튀어나와 자유전자가 된다. 가전자가 자유전자로 되면 그때까지 가전자가 있었던 곳에 전자가 존재하지 않는 빈자리가 발생하게 되는데 이것을 정공(hole)이라 하며, 자유전자가 지니는 음(-)전하에 대해서 양(+)전하를 가지고 있는 것으로 된다. 이 정공은 가까이 돌고 있는 자유전자를 붙잡아 빈자리를 메우려고 한다
03. 반도체의 분류
진성(순물질) 반도체
진송 반도체란 다이오드나 트랜지스터 등을 제작하는 게르마늄이나 실리콘이며, 이들은 결정이 같은 수의 전자와 정공이 있는 반도체이다
불순물 반도체
불순물 반도체는 다른 원소를 혼합하여 전류 흐름이 쉽도록 제작한 것이며, 여기에는 P형 반도체와 N형 반도체가 있다
N형 반도체 Negative Semi Conductor : N형 반도체는 실리콘의 결정(가전자 4개)에 5가의 원소(가장 바깥쪽에 5개의 가전자가 있는 물질)인 비소(As), 안티몬(Sb), 인(P) 등을 조금 섞으면 5가지의 원자가 실리콘 원자 1개를 밀어내고 그 자리에 들어간 실리콘 원자와 공유결합을 한다. 이때 5가의 원자에는 전자가 1개가 남게 되며, 이때 남은 전자를 과잉전자라 한다. 이 과잉전자는 자유전자가 된다.
P형 반도체 Positive Semi Conductor : P형 반도체는 실리콘의 결정에 3가의 원소인 알루미늄(Al), 인듐(In), 붕소(B) 등의 원소를 첨가하면 실리콘 원자와 공유결합을 한다. 이때 3가의 원소에는 가전자가 3개이므로 전자가 부족하게 되고 전자가 부족하다는 것은 (+)전기를 지니는 정공이 발생하였다는 의미가 되며, 이 정공은 전기의 캐리어(carrier)가 된다
불순물 반도체의 전류흐름 : 불순물 반도체에 전압, 열, 빛 등의 에너지를 가하면 (+), (-)의 전기가 결합하여 중성의 상태에서 전자가 튀어나와 전기를 운반하는 작용을 한다. 이때 전자가 튀어 나간 자리에는 정공만 남게된다. 정공이 발생한 상태는 전자가 부족한 상태이므로 이 정공은 가까이 있는 전자를 흡인하여 안정상태가 되려고 한다.
PN 반도체의 접합
PN 반도체의 접합의 종류
| 접합의 내용 | 적용 |
| 무접합 | 서미스터, 광전도 셀(CdS) |
| 단접합 | 다이오드, 제너다이오드, 단일 접합 또는 단일 접점 트랜지스터 |
| 이중접합 | PNP 트랜지스터, NPN 트랜지스터, 가변 용량 다이오드, 발광 다이오드,, 전계효과 트랜지스터 |
| 다중접합 | 사이리스터, 포토 트랜지스터, 트라이악 |
PN 반도체 접합의 특징
P형과 N형이 접합되면 접합면 부근의 영역에서 정공은 P형에서 N형으로, 자유전자는 N형에서 P형으로 확산되어 이동할 수 있는 캐리어(carrier)의 농도가 양쪽의 결정으로 평형을 유지하도록 되어 있다. 따라서 P형과 N형의 접합부에서는 정공과 자유전자가 부족한 결핍층이 생긴다. 이 결핍층은 정공과 자유전자의 이동을 방해하므로 P형 영역과 N형 영역의 캐리어는 평형을 이룬 상태가 된다
반도체의 장단점
(1) 반도체의 장점
① 매우 소형이고 경량이다
② 내부 전력손실이 매우 적다
③ 예열을 요구하지 않고 곧바로 작동을 한다
④ 기계적으로 강하고 수명이 길다
(2) 반도체의 단점
① 온도가 상승하면 특성이 매우 불량해 진다(게르마늄은 85℃, 실리콘은 150℃ 이상 되면 파손되기 쉽다)
② 역내압이 낮다
③ 정격 값 이상 되면 파괴되기 쉽다
04. 반도체 소자의 종류
다이오드 Diode
다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 서로 마주 대고 접합한 것이며, PN정선(PN junction)이라고도 한다
다이오드의 순방향 전류 : P형 쪽에는 전원의 (+)를, N형 쪽에는 (-)를 연결하면 PN 접합 부분의 전위장벽은 외부전압 손실에 따라 거의 없어진다. 전위장벽이 낮아지면 결핍층의 폭도 좁아져 정공과 자유전자가 이동한다.
다이오드의 역방향 전류 : P형 쪽에는 전원의 (-)를, N형 쪽에는 (+)를 연결하면 PN 접합부분의 전위장벽은 외부전압에 의해 더욱 높아져 결핍층의 폭이 넓어진다. 따라서 P형에서 N형으로, N형에서 P형으로 들어가는 캐리어가 매우 적어 극히 적은 전류밖에는 흐르지 못하므로 결핍층에서 전류가 소멸되어 흐르지 못하게 된다
다이오드 정류작용 : 다이오드가 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 성질을 이용하여 교류(AC)를 정류하여 직류(DC)로 변환시킬 수 있는데 정류방법에는 단상반파 정류, 단상전파 정류, 삼상전파 정류가 있다
다이오드의 성질 : 정류용 다이오드는 전압의 한쪽 방향에 대해서는 낮은 저항으로 되어 전류를 흐르도록 하고, 반대방향으로는 높은 저항을 되어 전류의 흐름을 저지하는 성질을 이용한 것이다
제너 다이오드 Zener Diode - 정전압 다이오드
이 다이오드는 실리콘 다이오드의 일종이며, 다이오드의 역방향 특성을 이용하기 위하여 P형 반도체와 N형 반도체에 불순물의 양을 증가시켜 역방향의 전압이 어떤 값에 도달하면 역방향 전류가 급격히 증가하여 흐르게 된다
포토 다이오드 Photo Diode
포토 다이오드는 빛을 전기흐름으로 변환하는 것이며, 역방향으로 전압을 가한 상태에서 PN 접합면에 빛을 받으면 전류가 흐르게 되고 빛의 양을 변환시키면 회로에 흐르는 전류는 빛의 양에 비례하여 변화한다
발광 다이오드 LED : Light Emitting Diode
발광다이오드는 PN 접합 다이오드에 순방향 전류를 흐르게 하면 빛을 발생한다. 빛은 가시광선으로부터 적외선가지 여러가지 빛을 발생시킨다.
트랜지스터 TR : Transistor
PN형 다이오드의 N형 쪽에 도 하나의 P형을 접합시키거나(PNP형), P형 쪽에 하나의 N형을 접합한 것(NPN형)이 있다. 3개의 부분에는 가각 인출선이 부착되어 있으며, 중앙부분을 베이스(BASE : B), 트랜지스터의 형식에 관계없이 각각의 전극에서 끌어낸 리드선 단자를 이미터(EMITTER: E), 그리고 나머지 단지를 컬렉터(COLLECTOR; C)라 한다. PNP형은 이미터에서 베이스로의 전류흐름이 순방향 흐름이며, NPN형은 베이스에서 이미터로의 전류 흐름이 순방향 흐름이다. 그리고 트랜지스터는 작은 신호전류로 큰 전류를 단속(ON/OFF)하는 스위칭(switching)작용과 증폭작용 및 발진작용을 한다.
포토 트랜지스터 Photo TR
포토 트랜지스터는 PN접합부분에 빛을 가하면 빛의 에너지에 의해 발생된 정공과 전자가 외부회로에 흐르게 되며, 입사광선에 의해 정공과 전자가 발생하면 역방향 전류가 증가하여 입사광선에 대응하는 출력전류가 얻어지는데 이를 광전류라 한다
다링톤 트랜지스터 Darlington TR
다링톤 트랜지스터는 높은 컬렉터 전류를 얻기 위하여 2개의 트랜지스터를 1개의 반도체 결저에 집적하고 이것을 1개의 하우징에 밀봉한 것이다
사이리스터 Thylistor
① SCR(Silicon Controlled Rectifier)이라고도 부르며, PNPN접합 또는 NPNP접합의 4층 또는 그 이상의 여러 층으로 되어 있다
② ON 상태와 OFF 상태의 2가지 형태를 지닌 스위칭 작용의 소자이다
③ PN형 다이오드 2개를 합하여 P형이나 N형의 한쪽에 제어단자인 게이트(G : gate)단자를 부착하고, (+)쪽을 내노드(A : anode)단자, (-)쪽을 캐소드(C : cathode)단자라 부른다.
④ 게이트의 위치에 따라서 캐소드-게이트형과 애노드-게이트형의 2가지가 있다
⑤ 애노드에 (-), 캐소드에 (+)전원을 가하였을 때 역방향의 특성은 일반 다이오드의 역방향 특성과 같다
⑥ 애노드에 (+), 캐소드에 (-)전원의 순방향 전압을 가하여 점차 상승시키면 처음에는 역방향 특성과 마찬가지로 전류가 흐르지 못하지만, 일정 값 이상의 전압으로 되면 전류가 급격히 흐르기 시작하여 통전이 된다
전계효과 트랜지스터 FET : Field Effect Transistor
① 전자 도는 정공의 한쪽 캐리어(scarrer)만이 전류의 흐름에 기여하는 단극성 트랜지스터(unipolar transistor)
② 전계효과 트랜지스터에는 트랜지스터의 이미터, 베이스, 컬렉터에 해당하는 게이트(gate), 드레인(drain), 소스(souce)의 3단자가 있다
③ 드레인과 소스사이에 흐르는 전류가 게이트와 소스사이의 전압에 의해 형성되는 전류와 직각방향의 전계(field)에 의하여 제어되므로 전계효과 트랜지스터라 한다
서미스터 Thermistor
서미스터에는 온도가 상승하면 그 저항 값이 감소하는 부특성(NTC : Negative Temperature Coefficient)서미스터와 온도가 상승하면 그 저항 값도 증가하는 정특성(PTC : Positive Temperature Coefficient)서미스터가 있다. 일반적으로 서미스터라 함은 부특성 서미스터를 의미한다
광전도 셀 Photo conductive Cell : 광량센서
광전도 셀은 광전변환 소자의 대표적인 것이며, 황화카드뮴(CdS)셀이 빛의 세기에 따라 그 양끝의 저항 값이 변화하며, 빛이 강할 경우에는 저항 값이 감소하고, 빛이 약할 경웅에는 저항 값이 증가한다
05. IC Inter grated Circuit : 직접 회로
IC란 많은 회로소자(저항, 축전기, 다이오드, 트랜지스터 등)가 1개의 실리콘 기판 또는 기판 내에 분리할 수 없는 상태로 결합된 것이며, 초소형화 되어 있는 것을 말한다
IC의 기능
디지털 형식 : 디지털 형식은 Hi와 Low의 2가지 신호를 취급하여 이 사이를 스위칭 하는 기능을 가지고 있어 "전압이 발생한다. 또는 발생하지 않는다"의 신호를 이용한다
아날로그 형식 : 아날로그 신호의 입력파형을 증폭시켜 출력으로 내보내는 기능을 지니고 있어 선형(llinear) IC라 부른다. 아날로그 신호란 저항의 온도에 따른 전류의 변화와 같이 연속적으로 변화하는 신호이다
IC 의 특징
IC의 장점
① 소형/경량이다
② 대량 생산이 가능하므로 가격이 저렴하다
③ 특성을 골고루 지닌 트랜지스터가 된다
④ 1개의 칩(chip)위에 집적화한 모든 트랜지스터가 같은 공정에서 생산된다
⑤ 납땜 부위가 적어 고장이 적다
⑥ 진동에 강하고 소비전력이 매우 적다
IC의 단점
① 내열성이 30~800℃이므로 큰 적력을 사용하는 경우에는 IC에 방열기를 부착하거나 장치전체에 송풍장치가 필요하다
② 대용량의 축전기(condenser)는 IC화가 어렵다
③ 코일의 경우에는 모노리틱형식(monolithc type) IC가 어렵다
06. 마이크로컴퓨터 micro computer
마이크로컴퓨터의 개요
마이크로컴퓨터는 중앙처리 장치(CPU),기억장치, 입력포트 및 출력포트 증의 4가지로 구성되어 산술연산, 논리연산을 하는 데이터 처리장치라고 정의된다
마이크로컴퓨터의 구조
중앙처리장치 CPU : Central Processing Unit
이 장치는 컴퓨터의 두뇌에 해당되는 부분이며, 미리 기억장치에 기억되어 있는 프로그램(작업순서를 일정한 순서에 따라서 컴퓨터 언어로 기입된 것)의 내용을 실행하는 것이다
입출력장치 I/o : In put / Out put
이 장치는 중아처리 장치의 명령에 의해서 입력장치(센서)로부터 데이터를 받아들이거나 출력장치(엑추에이터)에 데이터를 출력하는 인터페이스 역할을 한다
기억장치 Memory
(1) ROM Read only Memory : 이 기억장치는 한번 기억하면 그대로 기억을 유지하므로 전원을 차단하더라도 데이터는 지워지지 않는다
(2) RAM Random access Memory : 이 기억장치는 데이터의 변경을 자유롭게 할 수 있으나 전원을 차단하면 기억되었던 데이터가 지워진다
클록 발생기 clock Generator - 기준 신호 발생기구 : 이 발생기는 중앙처리장치, RAM 및 ROM 을 집결시켜 놓은 1개의 패키지(package)이며, 수정발진기가 접속되어 중앙처리장치의 가장 기본이 되는 클록 펄스가 만들어진다
A/D Analog/Digital 변환기구 : 이 변환 기구는 아날로그 양을 중앙처리장치에 의해 디지털 양으로 변화하는 장치이다
연산부분 : 이 부분은 중앙처리장치(CPU)내에 연산이 중심이 되는 가장 중요한 부분이며, 컴퓨터의 연산은 출력은 하지 않고 오히려 그 출력이 되는 것을 다른 것과 비교하여 결론을 내리는 방식으로 스위치의 ON, OFF를 1 또는 0으로 나타내는 2진법과, 0~9까지의 10진법으로 나타내어 계산된다
마이크로컴퓨터의 논리회로
논리기본회로
(1) 논리적 회로 AND circuit : 이 회로는 회로 중에 2개의 A, B 스위치를 직렬로 접속한 회로이며 램프(lamp)를 점등시커려면 입력 쪽의 스위치 A와 B를 동시에 ON시켜야 한다
(2) 논리화 회로 OR circuit : 이 회로는 회로 중에 A, B스위치를 병렬로 접속한 회로이며, 램프를 점등시키기 위해서는 입력쪽의 A스위치나 B스위치 중 1개만 ON시키면 된다
(3) 부정회로 NOT circuit : 이 회로는 입력스위치 A와 출력램프가 병렬로 접속된 회로이다. 회로 중의 스위치를 ON시키면 출력이 없고 스위치를 OFF시키면 출력이 되는 것으로서 스위치 작용과 출력이 반대로 되는 회로를 말한다.
논리복합 회로
(1) 부정 논리적 회로 NAND circuit : 이 회로는 A, B스위치를 직렬로 연결한 후 회로에 병렬로 접속한 것이며, 스위치 A 또는 B 둘 중의 1개만 OFF되면 램프가 점등되고, 스위치 A, B 모두 ON이 되면 램프가 소등된다
(2) 부정 논리화 회로 NOR circuit : 이 회로는 A, B스위치를 병렬로 연결한 후 회로에 병렬로 접속한 회로이며, 스위치 A, B모두 OFF되어야 램프가 점등되며 스위치 A 또는 B 둘 중의 1개만 ON이 되면 램프는 소등된다