전기06  > 반도체의 종류

1. 다이오드

(1) 개요

     다이오드(diode)는 P형 반도체와 N형 반도체를 결합시킨 것인 데, 그림 Ⅰ-58과 같이 전압을 걸지 않은 상태에서 P형 반도체에서는 홀이, N형 반도체에서는 자유 전자가 많이 있다. P형 쪽에 (+), N형 쪽에 (-)의 순방향 전압을 걸면 (+)의 전하를 가진 홀은 N형 쪽으로, (-)의 전하를 가진 자유 전자는 P형 쪽으로 끌어당겨서, 어떤 전압 이상이 되면 접합부를 넘어서 서로 침입하여 캐리어로서 활동을 시작하여 전류가 흐른다. 반대로 P형 쪽에 (-)를, N형 쪽에 (+)의 역방향 전압을 걸면 + 전하를 가진 홀은 (-) 쪽에, - 전하를 가진 자유 전자는 (+)쪽으로 각각 당겨진다. 이 결과로 접합부 부근에는 홀이나 자유 전자 등의 캐리어가 거의 없는 절연층이 크게 생겨 전류를 흐르게 할수 없다. 역방향의 전압이 높아질수록 절연층의 폭이 넓어져서, 한층 더 전류가 흐르지 않게 된다. 그러나 이 전압은 상한이 정해져있어, 일정 전압에서 전류가 급격히 흐르면서 다이오드는 파괴된다. 이와 같이 다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하는 특성 때문에 자동차의 전기 회로에서 교류 발전기의 정류용, 역전류 방지용 등으로 이용되고 있다.

다이오드의 작동

(2) 정 류

     교류를 직류로 변환시키는 것을 정류라 한다. 정류를 하기 위해서는 다이오드가 사용된다. 따라서 다이오드를 흔히 정류기라 한다. 교류 발전기의 정류 방식에는 단상 반파 정류, 단상 전파 정류, 3상 전파 정류가 있다.

(가) 단상 반파 정류 : 그림같이 입력 교류 파형의 반 사이클만을 통과시키는 매우 간단한 회로이며, 나머지 반사이클은 정류기에 의해서 차단된다. 출력 파형이 직류와 다르므로 이 방식은 그리 많이 쓰이지 않는다.

단상 반파 정류

나) 단상 전파 정류 : 그림과 같이 4개의 정류기를 사용하여 단상 반파 정류 회로에서 정류되지 않은 반 사이클마저 정류하는 방식이다. 따라서, 이 회로의 출력 파형은 최대점과 최저점이 있게 되고, 교류의 특성을 많이 포함하게 된다.

단상 전파 정류

 

(다) 3상 전파 정류 : 이 방식은 3상 교류의 정류에 사용된다. 자동차에서는 발전기로 부터 3상 교류가 만들어진다. 이것을 정류시키기 위해서는 그림과  같이 6개의 정류기가 사용된다. 출력 파형은 최고점과 최저점이 상당히 비슷하므로 직류 파형에 매우 가깝다.

3상 전파 정류

 

2. 제너 다이오드

     보통의 다이오드는 항복 전압 이상의 역방향 전압이 인가될 때 파괴된다. 그러나 그림 Ⅰ-63과 같이 다이오드 중에서 역방향 전류가 흘러도 파괴되지 않는 것을 제너 다이오드(zener diode)라고 한다. 제너 다이오드에서 역방향 전류가 급속히 증가할 때의 전압을 제너 전압이라 하고, 제너 전압보다 낮은 역방향 전압에서는 전류 를 차단하며, 순방향 전압에서는 전류가 잘 흐른다.

제너 다이오드의 특성

제너 다이오드를 사용한 예

 

3. 트랜지스터

   트랜지스터에는 그림 Ⅰ-65와 같이 얆은 N형 반도체를 중심으로 양쪽에 P형 반도체를 접합한 PNP형과 얆은 P형 반도체의 양쪽에 N형 반도체를 접합한 NPN형이 있다. 이들은 전류가 흐르는 방향이 서로 반대이지만, 그 작용은 거의 같다 NPN형 트랜지스터의 접합은 왼쪽의 N형을 컬렉터(collector, C), 가운데의 P형을 베이스(base, B), 오른쪽의 N형을 이미터 (emitter, E)라고 한다. 양쪽의 N형 반도체에는 자유 전자가, 또 가운데의 P형 반도체에는 홀이 각각 캐리어로서 존재하고 있다.

트랜지스터의 구조

이미터는 NPN식에서는 전자를 내보내고, PNP식에서는 홀을 내보낸다. 컬렉터에서는 이미터에서 보내진 전자나 홀을 받아들인다. 트랜지스터의 기능으로는 증폭 작용, 스위칭 작용 등이 있다.

(1) 증폭 작용

    그림과 같이 베이스에는 아무것도 접속하지 않고 이미터에 (-), 컬렉터에 (+)의 전압을 가하면, 컬렉터의 자유 전자와 베이스의 홀은 다이오드에 역방향 전압을 건 상태와 같아서, 컬렉터와 베이스의 접합면에는 캐리어가 없어지므로 전류는 흐르지 않는다. 다음에 베이스에 부하 저항 Rb를 통하여 (+) 전압을 가하면 이 미터의 자유 전자는 베이스의 (+) 쪽으로 끌려서 베이스와 이미터의 접합면을 넘어 베이스의 홀 쪽으로 이동을 시작하기 때문에 베이스 전류 (Ib)가 흐른다.

베이스는 매우 얇기 때문에 베이스 속에 존재하는 홀의 수는 매우 적어서 이미터의 자유 전자는 베이스의 홀 쪽으로 이동하는 것 보다는 컬릭터의 (+) 전압쪽으로 이동하여 이미터와 컬렉터 사이가 통전 상태로 되고 이동하는 자유 전자 수도 압도적으로 많다. 이 때문에 베이스 전류(Ib)보다도 컬렉터 전류(Ic) 쪽이 커서 10~200배 정도에까지 이른다. 컬렉더 전류와 베이스 전류의 비를 전류 증폭률이라고 한다. 적은 베이스 전류에 의해 커다란 컬렉터 전류를 얻을 수 있고, 베이스 전류의 크기를 바꾸면 컬덱터 전류의 크기를 증감할 수가 있다. 이것을 트랜지스터의 증폭 작용이라고 한다. PNP형 트랜지스터의 경우도 전류의 방향이 역으로 되는 점 이외에는 NPN힝 트랜지스터와 기본적으로 동일하다.

트랜지스터의 증폭 작용

(2) 스위칭 작용

트랜지스터의 이미터와 컬렉터 사이를 통전 상태로 하려면 베이스 전류를 흐르게 하면 된다. 이것의 역으로 베이스 전류를 ON, OFF하면 이미터와 컬렉터 사이를 ON, OFF할 수 있다. 이것을 트랜지스터의 스위칭 작용이라 한다. 트랜지스터의 스위칭 작용를 이용하면, 트랜지스더로 릴레이와 같은 작용을 할 수 있다. 트랜지스터의 스위칭 작용을 이용한 자동차용 전상품으로는 그림 Ⅰ-68과 같은 트랜지스터 점화의 이그나이터부, 트랜지스터 전압 조정기 등이 있다.

 

 

 

 

 

 

트랜지스터 점화의 이그나이터부 회로 예

4. 서미스터

서미스터(thermister)는 보통 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn) 등의 산화물을 적당히 혼합한 다음, 1000℃ 이상의 고온에서 소결하여 만든 반도체 감온 저항 소자이다. 서미스터는 그림과 같이 온도에 의한 저항값의 변화가 크고, 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 특징이 있다. 서미스터는 금속 저항과 직렬로 접속하여 전류를 흐르게 하면, 자기 가열에 의하여 저항값이 시간과 함께 변화하는 성질을 이용하여 전압을 일정하게 하는 정전압 회로, 온도에 따른 저항 변화를 이용한 온도 측정, 온도 보상 등에 사용된다.

 

 

 

 

 

 

 

              서미스터의 온도 특성