고체 내 전하 캐리어는 생략했다.(사전 지식 : 3족 4족 5족 원소들을 찾고 간략하게 학습하는 것도 좋다)
전자회로 1 조교를 맡게 되어 글을 쓰기 시작했다. 동계 방학전까지 중간고사 전 진도까지 나가려한다.
간략하게 본론을 설명하기에 앞서 반도체는 4족 원소인 Si(실리콘) 단독으로 사용하지 않는다.
하지만 3족이나 5족원소를 주입하여 어떤 능동 소자(다이오드, 바이폴라 트랜지스터, MOSFET)를 만들 수 있고 이러한 능동 소자들은 회로분야에서 다양하게 사용이 되고 있음을 인지하길 바란다.
전자회로 1은 기초 반도체 물리로부터 출발하여 단일 증폭기와 연산 증폭기까지의 과정을 담고 있다.
기초 반도체 물리 단원에서는 용어를 잘 기억하고, 어떤 원리를 가지는지에 대한 이해도가 중요하다
고체 전자 물리(또는 반도체 공학)을 배우지 않았다면 조금 이해가 어려울 수 있다.
공유 결합(Covalent bond)
사전적인 의미를 찾아보자
공유 : 하나의 소유권이 두 사람 이상에 속하는것, 공동으로 소유함
결합 : 둘 이상이 서로 관계를 맺고 합치어 하나가 됨
covalet : 전자쌍을 공유하는
bond : 접합(결합)되다.
한자보다 영어의 어원이 조금 더 이해가 쉽다.
먼저 그림 1을 보도록 하자
그림 1에서는 실리콘 원자는 최외각 전자 4개를 가지며 완전한 궤도를 형성하는데에 있어서 4개의 전자들이 더 필요하게 된다.
여러개의 실리콘이 있다고 가정하고 실리콘 물질은 수정을 형성하는데 위에서 언급했듯이 완전한 궤도를 형성하기 위해 4개 전자들이 주위에 있다면, 각 원자는 똑같은 4개의 다른 원자로 둘러 쌓여 있다.
그림 1은 그림 2와 같이 표현이 가능하다.
그림 2와 같이 각 원자는 이웃 원자 1개의 원자가전자를 공유(covalent)하여 이웃의 궤도를 완성하는 것을 알아야 한다.
공유결합이 되어있는 실리콘은 절대온도 0K에서 자유롭게 이동하지 못한다.(부도체)
하지만 그림 3과 같이 온도가 올라게되면 전자는 열 에너지(Thermal Energy)를 흡수하고 공유결합을 깨 또 다른 불완전한 결합을 이룰 때까지 자유 전하 캐리어로 동작하게 된다.
"전자"는 그림 3으로 부터 나오는 자유 전자들임을 잊지 말자
정공(Hole)
공유 결합이 깨짐으로써 불안전한 결합이 되기 때문에 전자는 구멍을 남기는데 이러한 구멍을 정공이라 한다.
전자가 어떤 에너지로부터 공유결합을 깨고 자유로울 때 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 형성이 되고
전자가 정공을 만났을 때 전자-정고 재결합(electron-hole recombination)이 발생한다.
전자는 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하며 정공은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하게 되는데 뒤에서 다룰 능동소자의 전류 흐름의 표현을 이해하는데에 매우 유용하다.
밴드갭 에너지(Bandgap Energy)
공유 결합에서 전자를 떼어 내는데 최소 에너지가 필요한데 이는 밴드갭 에너지(Eg)이다
(실리콘의 경우 1.12 eV이다 참고로 단위 eV는 전자가 1 V 전압차를 넘어 이동하는데 필요한 에너지를 나타낸다.)
실리콘의 전자 밀도(density)는 아래와 같다.
식 1에서 실리콘의 전자의 밀도는 단위 부피당 전자의 수이며 k는 볼츠만 상수이며 아래와 같다.
다시 식 1을 되돌아가보면 전자의 수는 에너지 갭(Eg)와 절대 온도(T)와 관련이 있음을 알 수 있다.
전자회로 1 과정을 학습하셨습니다.
아래 링크를 통해 다음 진도와 전자회로 1의 모든 내용을 확인하실 수 있습니다.
2022.01.13 - [전공(Major)/전자회로 1 과정] - 전자회로 1 커리큘럼
전자회로 1 커리큘럼
전자회로 1 커리큘럼입니다. 기본적으로 반도체 공학에서 배웠던 능동소자(Diode, BJT, MOSFET)를 통해 단일 증폭기를 설계한다. 회로를 해석하는데에 있어 회로이론에서 배운 회로 해석기법을 사용
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참고 문헌
[1] 마이크로 전자회로 2판, 버자드 라자비 저
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