물질의 구조와 성질 #4 - 반도체와 다이오드

 

여기도 암기

이건 1.3번정도 읽으면 다맞는다.

쉬운데 대부분 3점짜리로 출제돼서 점수자판기다.

평가원이 6모 9모에서 실컷 내놓고

최근에 수능에서 안낸걸로 보아

올해 수능에 나오지 않을까 조심스럽게 예상해본다.

 

---

- 반도체 -

불순물이 없는 반도체는 전기 전도성이 낮다.

바로 전 단원에서 설명한게 이런 순수한 반도체이다.

 

근데 반도체에 불순물을 첨가하면 전기 전도성이 좋아진다.

이걸 '도핑'이라 한다.

 

이를 설명하려면 화학적인 지식을 전달해줘야 하는데

그러면 이 글이 화학 중심이 돼버린다.

 

화학은 배제하고 물리I수준에서 설명해주겠다.

지금부터 설명하는 내용은

엄밀히 따지면 맞는말은 아니다.

근데 이런식으로 이해하고 있으면 문제는 다 풀린다.

순수한 반도체는 원자가 전자가 4개이다.

원자가 전자는 그냥 전자의 수 라고 생각하자.

찜찜해서 정확히 알고싶다면

'원자가 전자', '옥텟 규칙' 이라는걸 검색해보면 된다.

솔직히 화학은 잘 설명할 자신이 없어서 대충 넘기는거다.

 

---

- n형 반도체 -

순수한 반도체에다가

원자가 전자가 5개인 원소를 '도핑'하면

원래 전자가 4개였는데 5개인게 끼어들어갔으니까

전자가 순수한 반도체보다 1개 많아지게 된다.

즉 전자가 1개 남게된다.

그러면 움직일 수 있는 전자가 많아졌으니

전류가 더 잘 흐르게 된다.

이런걸 'n형 반도체'라고 한다.

n형 반도체 : 순수한 반도체에 원자가 전자가 5개인 원소를 도핑하여 만든것

여기서는 전자가 1개 남는거니 주로 전자가 전하를 운반한다.

negative의 n으로 외우면 쉽다.

 

-원자가 전자가 5개인 원소(n형)-

이건 안외워도 되는데 혹시 몰라서 적었다.

인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi)

 

---

- p형 반도체 -

순수한 반도체에다가

원자가 전자가 3개인 원소를 '도핑'하면

원래 전자가 4개였는데 3개인게 끼어들어갔으니까

전자가 순수한 반도체보다 1개 적어지게 된다.

즉 1개의 양공이 생긴다.

그러면 이 양공의 자리를 채워줄 전자가 움직일 여지가 생겼다.

따라서 전류가 더 잘 흐르게 된다.

이런걸 'p형 반도체'라고 한다.

p형 반도체 : 순수한 반도체에 원자가 전자가 3개인 원소를 도핑하여 만든것

여기서는 양공이 1개 남는거니 주로 양공이 전하를 운반한다.

positive의 p로 외우면 쉽다.

 

-원자가 전자가 3개인 원소(p형)-

이것도 안외워도 되는데 혹시 몰라서 적었다.

알루미늄(Al), 붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga)

 

---

- 다이오드 -

다이오드란

p형 반도체와 n형 반도체를 붙여 만든 전기 소자이다.

정류 작용을 한다.

(정류 작용은 밑에 설명해줄테니 일단 넘어가자)

 

p-n 접합 다이오드 라고도 한다.

회로에선 이렇게 표현된다.

 

- 순방향 연결 -

전류가 흐른다.

위 그림과 같이

p-n 접합 다이오드에서

p형 반도체에 전지의 (+)극을 연결하고

n형 반도체에 전지의 (-)극을 연결하면

 

p형 반도체의 왼쪽부분은 (+)전하기 때문에

p형 반도체의 양공은 전기력을 받아 p-n 접합면 쪽으로 이동하게 되고

n형 반도체의 오른쪽부분은 (-)전하기 때문에

n형 반도체의 전자는 전기력을 받아 p-n 접합면 쪽으로 이동하게 된다.

사실 이를 쉽게 이해시키려면 '전위'라는 개념을 가져와야하는데

그건 물리2에 있는거고 몰라도 그냥 외우면 되는거라서 상관없다.

어차피 외우라고 있는 단원이고 문제도 그냥 외우라는 식으로 출제된다.

아무튼 양공과 전자가 둘다 p-n 접합면 쪽으로 이동하면

양공과 전자 사이에도 서로 당기는 전기력이 작용하고

결국 양공과 전자가 서로 결합하게 된다.

전자가 결합했다는건 n형 반도체에 있던 전자가

p형 반도체로 이동한 것이기 때문에

전자가 이동했다.

전자의 이동은 곧 전류의 흐름을 의미한다.

즉 전류가 흐르게 된다.

그리고 n형 반도체에 있던 전자가

p형 반도체로 '전이' 했으므로

띠틈에 해당하는 에너지(빛)을 방출할 것이다.

 

이런 연결을 '순방향 연결' 이라 한다.

 

---

- 순방향 연결 요약 -

p-n 다이오드와 전지를 순방향 연결하면

양공과 전자는 각각 전기력을 받아서

p-n 접합면 쪽으로 이동하게 되고

결국 양공과 전자가 결합하며

전류가 흐르게 되고

전자가 전이했으므로

띠틈 만큼의 빛을 방출한다.

 

---

- 역방향 연결 -

전류가 흐르지 않는다.

위 그림과 같이

p-n 접합 다이오드에서

p형 반도체에 전지의 (-)극을 연결하고

n형 반도체에 전지의 (+)극을 연결하면

 

p형 반도체의 왼쪽부분은 (-)전하기 때문에

p형 반도체의 양공은 전기력을 받아 p형 반도체 왼쪽 끝으로 이동하게 되고

n형 반도체의 오른쪽부분은 (+)전하기 때문에

n형 반도체의 전자는 전기력을 받아 n형 반도체 오른쪽 끝으로 이동하게 된다.

즉 p-n 접합면에서 멀어진다.

따라서 이때는 양공과 전자가 결합할수 없다.

전자가 결합한다는건 n형 반도체에 있던 전자가

p형 반도체로 이동하는 것이기 때문에

전자가 이동하지 않았다.

전자의 이동은 곧 전류의 흐름을 의미한다.

즉 전류가 흐르지 않게 된다.

그리고 n형 반도체에 있던 전자가

p형 반도체로 '전이'하지 못했으므로

에너지(빛)는 방출되지 않는다.

 

이런 연결을 '역방향 연결' 이라 한다.

 

---

- 역방향 연결 요약 -

p-n 다이오드와 전지를 순방향 연결하면

양공과 전자는 각각 전기력을 받아서

p-n 접합면에서 멀어지는 쪽으로 이동하게 되고

결국 양공과 전자가 결합하지 못하며

전류가 흐르지 못하게 되고

전자가 전이하지 못했으므로

빛을 방출하지 않는다.

 

이처럼 p-n 접합 다이오드는

전압을 순방향으로 걸어주면 전류가 흐르고

전압을 역방향으로 걸어주면 전류가 흐르지 않는다.

즉 p→n 방향으로는 전류가 흐르게 할 수 있는데

n→p 방향으로는 전류가 흐르게 할 수 없다.

이것은 다이오드가 '정류 작용'을 한다는 것을 의미한다.

정류 작용은 영어로 rectifying action인데,

rectify : 교정하다

즉 전류의 방향을 교정해준다.

회로에 p-n 다이오드를 연결한다면

순방향으로 연결했을때만 전류가 흐를 수 있다는 것이다.

p-n 다이오드에 교류 전원을 연결하면

교류는 주기적으로 전류의 방향이 바뀌는 전류인데

한쪽 방향으로만 전류가 흐르게 된다.

즉 교류를 직류로 바꿔주는 역할을 한다.

 

---

- LED -

 

LED는 Light Emitting Diode의 약자이다.

'빛을 방출하는 다이오드'

즉 '발광 다이오드'

 

즉 아까 p-n 접합 다이오드가 LED라고 보면 된다.

그니까 난 저 두 그림으로 이 단원의 모든 내용을 설명했다.

추가적으로 두가지만 설명하자면

아까 '띠틈'에 해당하는 에너지(빛)을 방출한다 했는데

이 '띠틈'이라는건 물질마다 다를것이다.

즉 LED를 제작하는 재료에 따라

띠틈에 해당되는 에너지가 달라지므로

이를 이용해 방출되는 빛의 색을 다양하게 만들 수 있다.

E = hf = hc/λ

 

3단원가면 배울텐데

파란색 빛이 빨간색 빛보다 파장이 짧다.

즉 파란색 빛의 에너지 > 빨간색 빛의 에너지

따라서 파란색 빛을 내고싶다면

빨간색 빛을 내는 LED보다

띠틈이 큰 물질로 LED를 만들면 된다.

 

그리고 LED는

수명이 길고 전력 소모가 적고 크기가 작고 가볍다는 장점이 있으며

각종 영상 장치와 조명 장치에 사용된다.

 

---

- 예제 -

 

1 )

2017학년도 수능 8번

 

반도체 A는 전자가 1개 더 많다.

따라서 n형 반도체이다.

반도체 B는 전자가 1개 부족해서 양공이 하나 생겼다.

따라서 p형 반도체이다.

 

ㄱ)

A는 n형 반도체이다. 따라서 ㄱ(x)

 

ㄴ)

B는 p형 반도체이고 p형 반도체는 주로 양공이 전류를 흐르게 한다.

따라서 ㄴ(o)

 

ㄷ)

A는 n형이고 B는 p형인데

n형에다가 +전압 연결했고

p형에다가 -전압 연결했으므로

역방향 전압이다. 따라서 ㄷ(o)

 

따라서 답은 4번

 

---

2 )

2021학년도 6월 모평 10번

 

ㄱ)

우선 P가 켜졌다는건 전류가 흘렀다는거다.

만약 X가 다이오드라면

a와 b에서 전압을 반대로 걸었으므로

하나는 순방향, 하나는 역방향 연결이 돼서

둘중 하나는 켜지지 않아야한다.

근데 둘다 켜진걸 보니 다이오드가 아니다.

따라서 X는 저항이다. ㄱ(o)

 

ㄴ)

X가 저항이니까 Y는 다이오드다.

근데 a에 연결했을때 Q에 불이 들어왔으므로

전류가 흘렀다는거고

전류가 흘렀다는건 순방향 전압을 걸었다는거다.

따라서 ㄴ(o)

 

ㄷ)

Y는 다이오드고

다이오드는 정류 작용을 하는 전기 소자이다.

따라서 ㄷ(o)

 

답은 5번

이 문제의 핵심은 '다이오드의 정류 작용을 이해했는가' 이다.

 

---

3 )

2019학년도 9월 모평 12번

 

이 문제는 쉽게 설명하려면 그림을 그려야 할것같다.

 

 

ㄱ)

우선 A에 오른쪽 방향으로 전류가 흘렀다 했으니

이때의 전류의 흐름을 그려보겠다.

따라서 X는 p형 반도체이고

p형 반도체는 주로 양공이 전류를 흐르게 한다.

따라서 ㄱ(o)

 

 

ㄴ)

X가 p형 반도체니까

Y는 n형 반도체이다.

따라서 ㄴ(x)

 

 

ㄷ)

이건 풀려면 옴의 법칙을 적용해야 한다.

옴의 법칙이 뭔지 모르면 중학교때 수업을 안들은거다.

물리2에서 자세히 다뤄줄테니 나중에 보도록 하자.

솔직히 이것도 교육과정의 문제라고 생각한다.

중등과정에서 배운 물리를

전부 배경지식으로 알고 있다고 가정하고 진행해버린다.

30분만에 20문제를 푸는 시험에서

갑자기 중등과정 내용을 물어보면

얼마나 당황스러울까?

이 부분에 대해 최소한 언급이라도 해줬으면 좋겠다.

그리고 왜 회로이론을 물리2에 놨는지 모르겠다.

그냥 이번 교육과정 개판이다.

 

어쨌든 이 회로의 그림을 그리면

A,B,C는 동일한 저항이므로
각각의 저항값을 R로 놓으면

A와 C의 합성저항 = 2R
B의 저항 = R
A+C와 B는 병렬연결 되어있는 것이므로
A+C와 B엔 같은 전압이 걸린다.
따라서 B에 걸리는 전압을 V라 하면

A+C에도 V의 전압이 걸리고
A와 C는 직렬연결 되어있고, 둘의 저항이 같으므로

A와 C는 전압 V를 같은 비율로 나눠갖게 된다.
따라서 C에 걸리는 전압은 V/2
옴의법칙 V=IR에 의해

B에 걸리는 전류는 V/R 이고

C에 걸리는 전류는 V/2R 이므로

전류의 세기는 B에서가 C에서보다 크다.

따라서 ㄷ(o)

 

 

따라서 답은 4번

 

---

4 )

2014학년도 9월 모평 13번

 

ㄱ)

우선 빛이 방출되었다는건 전류가 흘렀다는거고

전류가 흘렀다는건 정방향 연결되었다는거고

따라서 a단자는 (+)극이다.

따라서 ㄱ(o)

 

ㄴ)

n형 반도체의 전도띠에 있는 전자가

p형 반도체에 있는 양공으로 전이하면서

빛을 방출하는것이다.

따라서 ㄴ(o)

 

ㄷ)

띠틈이 더 크다 = 나오는 빛의 에너지가 크다

E = hf = hc/λ

따라서 띠틈 큰걸 연결하면

파장은 짧아진다.

따라서 ㄷ(x)

 

따라서 답은 3번