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물리 · 고1-고2

반도체와 다이오드 — I-V 특성과 정류

I = Is(e^(V/nVT)−1)

에너지 띠 이론으로 반도체를 이해하고, p-n 접합 다이오드의 I-V 특성곡선과 정류 작용을 시뮬레이션합니다.

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학습 목표

  1. 에너지 띠 구조로 도체·반도체·부도체를 구분할 수 있다
  2. p-n 접합 다이오드의 순방향·역방향 특성을 설명할 수 있다
  3. 쇼클리 방정식으로 I-V 특성곡선을 분석한다
  4. Si·Ge·LED 다이오드의 문턱전압 차이를 비교한다

실험 변인

독립변인전지 전압V (1.5–9)
독립변인가변저항Ω (10–10000)
독립변인다이오드 종류 (0–2)
종속변인전류mA (0–500)

사전학습 자료

에너지 띠와 반도체

고체의 에너지 띠: 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band).

도체: 띠 틈 없음, 반도체: 띠 틈 ~1eV, 부도체: 띠 틈 >5eV

n형 반도체: 5족 원소 도핑 (전자 과잉) p형 반도체: 3족 원소 도핑 (정공 과잉)

다이오드와 정류

p-n 접합: p형과 n형 반도체를 접합하면 공핍층이 형성됨.

순방향 바이어스: 공핍층 축소 → 전류 흐름 역방향 바이어스: 공핍층 확대 → 전류 차단

쇼클리 방정식: I = Is(e^(V/nVT) - 1)

실험 절차

  1. Si 다이오드를 선택하고 문턱전압(~0.7V)을 확인한다
  2. 전압을 변화시키며 I-V 특성곡선을 관찰한다
  3. Ge, LED 다이오드와 문턱전압을 비교한다
  4. 역방향 바이어스에서 정류 작용을 확인한다

시뮬레이터 체험

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학습 확인 문제

Q1 Si 다이오드의 문턱전압은 약 몇 V?

정답: 0.7V

실리콘(Si) 다이오드의 문턱전압은 약 0.7V이며, Ge는 약 0.3V, LED는 약 1.8V입니다.

Q2 순방향 바이어스에서 공핍층은?

정답: 축소된다

순방향 바이어스는 외부 전압이 내장 전위를 상쇄하여 공핍층이 축소되고 전류가 흐릅니다.

Q3 다이오드의 정류 작용이란?

정답: 교류를 직류로 변환하는 것

다이오드는 한 방향으로만 전류를 통과시켜 교류를 직류로 변환(정류)합니다.

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