기체 상태의 원자에서 전자들은 띄엄띄엄한 에너지 준위(양자화된 에너지)를 가집니다. 그러나 고체에서는 수많은 원자들이 가까이 모여있어 인접 원자들이 전자의 행동에 영향을 주며, 전자의 에너지 준위는 에너지 띠(Energy Band)를 형성합니다.
에너지 띠 내에서는 전자가 모든 에너지를 가질 수 있지만, 인접한 띠 사이에는 전자가 존재할 수 없는 영역이 있는데, 이를 띠 간격(Band Gap)이라고 합니다.
도체: 가전자대와 전도대가 겹쳐 있어 전자가 자유롭게 이동 → 전류 잘 흐름
반도체: 띠 간격(~1 eV)이 좁아 적당한 에너지로 전자를 전도대로 이동 가능
절연체: 띠 간격(>5 eV)이 매우 커서 전자의 전도대 전이가 거의 불가능
절대 온도 0K에서 전자들은 허용된 띠의 낮은 에너지부터 채워나갑니다. 원자의 가장 바깥쪽 전자가 채우는 에너지띠를 원자가띠(가전자대, Valence Band)라고 하며, 이 띠는 전자로 가득 차 있습니다.
외부 에너지를 흡수한 전자가 전이하여 고체 내부를 이동할 수 있는 상위 에너지띠를 전도대(전도띠, Conduction Band)라고 합니다. 전도대는 전자가 가득 차 있지 않으므로, 전이된 전자는 아주 작은 에너지로도 원자 사이를 이동할 수 있습니다 — 이것이 자유전자입니다.
여기서 $$E_c$$는 전도대의 하단 에너지, $$E_v$$는 가전자대의 상단 에너지입니다. Si의 $$E_g \approx 1.12$$ eV, Ge은 약 0.67 eV입니다.
순수한 반도체(진성 반도체)는 전류가 잘 흐르지 않습니다. 도핑(Doping)이란 반도체에 소량의 불순물을 첨가하여 전기적 성질을 조절하는 과정입니다.
Si(4족)에 P, As 등 5족 원소를 도핑하면, 여분의 전자 1개가 자유전자가 됩니다. → 전자가 다수 캐리어
Si에 B, Ga 등 3족 원소를 도핑하면, 전자 1개가 부족하여 양공(정공, hole)이 생깁니다. → 정공이 다수 캐리어
p형과 n형 반도체를 접합하면 경계에 공핍층(Depletion Layer)이 형성됩니다. 공핍층에서는 전하의 이동이 없어 전류가 흐르지 않습니다.
순방향 바이어스: p형에 (+), n형에 (−) 전원 연결 → 공핍층 축소 → 전류 흐름
역방향 바이어스: p형에 (−), n형에 (+) 전원 연결 → 공핍층 확대 → 전류 차단
이처럼 다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하며, 이를 정류작용이라고 합니다.
여기서 $$I_s$$는 역포화 전류(~10⁻¹² A), $$n$$은 이상계수(1~2), $$V_T = kT/q \approx 0.026$$ V (상온)입니다.
순방향에서 약 0.6~0.7V(Si 다이오드)를 넘어야 전류가 급격히 증가하며, 역방향에서는 매우 작은 역포화 전류만 흐릅니다.
$$E_g = E_c - E_v$$ — 전도대 하단과 가전자대 상단의 에너지 차이
$$I = I_s(e^{V/(nV_T)} - 1)$$ — 전압에 따른 전류의 지수적 변화
$$V_T = \frac{kT}{q} \approx 0.026 \text{ V}$$ (T = 300K)
$$\beta = \frac{I_C}{I_B}, \quad I_E = I_C + I_B$$
이제 가상실험에서 직접 다이오드의 I-V 특성 곡선을 그리고, 순방향/역방향 바이어스에 따른 공핍층 변화를 시각적으로 확인해봅시다!
건전지(DC 전원)에 가변저항과 다이오드를 직렬 연결합니다. 가변저항 값을 바꾸면 다이오드에 걸리는 전압이 변하고, 그에 따른 전류를 측정합니다.
도체·절연체·반도체를 구별하고, p-n 접합 다이오드의 I-V 특성 곡선을 직접 측정하여 정류작용을 확인합니다.
다이오드에 과전류가 흐르면 소자가 파손됩니다. 반드시 직렬 저항을 연결하고, 전류가 100mA를 넘지 않도록 하세요.
LED의 극성(+/−)을 확인하세요. 긴 다리가 Anode(+), 짧은 다리가 Cathode(−)입니다. 역방향으로 과전압을 걸면 LED가 파손될 수 있습니다.
전류계는 직렬, 전압계는 병렬로 연결합니다. 전류계를 병렬로 연결하면 과전류로 퓨즈가 끊어집니다.
가변저항을 천천히 돌리면서 0.05V 간격으로 전압과 전류를 기록하면 정밀한 I-V 곡선을 그릴 수 있습니다.
① 건전지, 전구(또는 전류계), 집게 도선으로 간단한 회로를 구성합니다.
② 회로의 한 부분에 시료(지우개, 동전, 철사, 나무토막, 플라스틱)를 하나씩 연결합니다.
③ 전구가 켜지거나 전류계 바늘이 움직이면 도체, 그렇지 않으면 절연체로 분류합니다.
④ 발광 다이오드를 순방향/역방향으로 연결하여 반도체의 정류 특성을 확인합니다.
| 시료 | 전류 흐름 | 분류 |
|---|---|---|
| 동전 | O / X | 도체 / 반도체 / 절연체 |
| 철사 | O / X | |
| 지우개 | O / X | |
| 나무토막 | O / X | |
| 플라스틱 | O / X | |
| LED (순방향) | O / X | |
| LED (역방향) | O / X |
건전지 — 스위치 — 가변저항 — 다이오드 — 를 직렬 연결하고, 다이오드 양단에 전압계(병렬), 회로에 전류계(직렬)를 연결합니다.
① 다이오드를 순방향으로 연결합니다 (Anode → +, Cathode → −).
② 가변저항을 조절하여 전압을 0V부터 천천히 올리면서 전압-전류를 기록합니다.
③ 다이오드 방향을 역방향으로 바꾸어 같은 실험을 반복합니다.
④ 기록한 데이터로 I-V 곡선을 그립니다.
| 전압 (V) | 0.60 | 0.65 | 0.70 | 0.75 | 0.80 | 0.85 | 0.90 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 전류 (mA) |
① I-V 곡선이 어떤 모양을 보이는가? 왜 지수함수적으로 증가하는가?
② 순방향 문턱전압(Si: ~0.7V, Ge: ~0.3V)은 어디서 확인되는가?
③ 역방향에서 전류가 거의 흐르지 않는 이유는 무엇인가?
실험 결과를 정리하고, 의미를 서술하세요. 모든 항목을 작성한 후 하단의 제출하기 버튼을 누르세요.
각 시료의 전류 흐름 여부와 분류 결과를 정리하고, 에너지 띠 이론으로 그 이유를 설명하세요.
순방향/역방향 I-V 곡선의 특징을 설명하고, 문턱전압이 나타나는 이유를 서술하세요.
순방향/역방향 바이어스 시 공핍층의 변화를 설명하고, 이것이 정류작용과 어떻게 연결되는지 서술하세요.
시뮬레이터의 I-V 곡선과 실제 측정 결과를 비교하고, 차이가 있다면 그 원인을 분석하세요.
두 소자 모두 p-n 접합 기반이지만 에너지 변환 방향이 다릅니다. 이를 설명하세요.
IE = 100mA, IB = 1mA일 때 전류 증폭률 β를 구하고, 트랜지스터의 동작 원리를 설명하세요.
개념학습과 가상실험을 바탕으로 풀어보세요!