Overview
출처: 데릭 윌슨, 아산타 쿠레이, 박사, 물리학 및 천문학학과, 물리 과학 학교, 캘리포니아 대학, 어바인, 캘리포니아
반도체는 전류를 수행하는 능력이 온도와 불순물의 수준에 크게 의존하는 재료입니다. 반도체 재료의 가장 일반적인 유형은 결정 성 실리콘입니다. 대부분의 순수 반도체는 뛰어난 도체가 아닙니다. 전도도를 개선하기 위해 순수 반도체는 종종 불순물로 결합되거나 "도핑"됩니다. 이러한 불순물은 인과 비소와 같은 기증자로, 실리콘에 전자를 기증하거나 실리콘에서 전자를 훔치는 붕소 및 알루미늄과 같은 수용자입니다. 수용자가 실리콘에서 전자를 가져 갈 때, 그들은 효과적으로 양전하 전자로 행동 "구멍"이라는 양전전의 영역을 둡니다.
p형 반도체는 도핑이 재료의 지배적 인 충전 캐리어인 구멍을 만들 때 형성된다. 반도체가 도핑될 때 n형 반도체가 형성되어 지배적인 충전캐리어가 전자입니다. 예상대로 p-n 접합은 p형 반도체와 n형 반도체 사이의 경계에 형성된다. 접합부에서 전자와 구멍의 상호 작용은 다이오드 및 트랜지스터와 같은 회로 구성 요소에서 볼 수있는 놀라운 행동을 야기한다. 이 실험실은 반도체 다이오드 의 형태로 단일 p-n 접합의 특성을 탐구합니다.
Principles
p-타입 과 n형 재료 사이의 접합에서, n형 반도체내 의 기증자 불순물로부터의 전자는 p형 반도체의 구멍과 결합한다. n형 반도체의 기증자 불순물은 전자를 잃고 양성 이온이 된다. p형의 수용체 불순물은 이 전자를 받아음 이온을 형성한다. 따라서 접합을 둘러싼 "고갈 영역"은 전자와 구멍중 하나에서 결핍됩니다. 고갈 영역에서, n형 물질 영역은 이제 양온으로 채워지고, p형 물질은 음의 이온에 의해 지배된다. 양극이고는 접합의 n형 측에서 전자를 격퇴하고, 음의 이온은 접합의 p형 측에서 구멍을 격퇴한다. p-n 접합부에서 이온이 축적된 전기장은 전자나 구멍이 접합부를 가로질러 흐르는 것을 효과적으로 방지합니다.
그러나 p-n 접합부 에 충분한 전압이 가해지면 전류가 다시 흐르도록 할 수 있습니다. 접합부에 양전압 강하가 배치되면(즉, p형 재료에서 n형 재료로의 전압 감소), 적용된 전기장은 이온으로부터의 힘을 극복할 수 있고 접합부 전체의 전자를 밀어낼 수 있다. 이 경우 접합은 "전방 편향"이라고 합니다. 반대로, 접합부 에 걸쳐 음극 전압 강하가 적용되는 경우(즉, n형 재료에서 p-type 재료로의 전압 감소), 적용된 전압은 이온으로부터 기존 반발에 추가 반발을 가하고 전류가 흐를 수 없습니다. 이 구성에서 접합은 "역편향"입니다. 따라서 전류는 p-n 접합을 통해 한 방향으로만 흐를 수 있습니다.
쇼클리 다이오드 방정식은 전류를 설명하며, p-n 접합을 통해 온도와 전압 강하의 함수로 흐르고 있습니다.
(방정식 1)
내가앉았을 때 일반적으로 Amperes (A)에서 포화 전류, 전자는 1.602 10-19 쿨롬 (C)과 동일한 전자 전하이며, V는 볼트 (V)의 다이오드를 가로 질러 전압 강하이며, n은 치수없는 매개 변수입니다. 1에서 2까지 다양하며 다이오드(이상적인 다이오드의 경우n =1)의 불완전함을 차지하며, 볼트만의 상수 1.38 10-23 m 2 kg s-2 K-1이며, T는 켈빈스(K)의 다이오드 온도이다. 채도 전류는 다이오드가 역편향된 경우에도 계속 흐르는 작은 전류입니다. 하나는 전류가 양전압에 대해 기하급수적으로 성장하고 음전압에 의해 기하급수적으로 약화되는 것을 볼 수 있습니다. 또한 강한 온도 의존도가 있습니다. 고온은 현재의 흐름을 감소시키고, 낮은 온도로 인해 전류가 증가합니다.
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Procedure
1. 반도체 다이오드 의 형태로 p-n 접합의 동작을 관찰하고 전류 전압 특성 곡선을 측정합니다.
- 반도체 다이오드, LED(발광 다이오드), 전원, 2개의 디지털 멀티미터, 1kΩ 저항기, 일부 바나나 케이블 및 커넥터 및 온도계를 획득합니다.
- 반도체 다이오드를 보세요. 그 끝 중 하나에 밴드가 있어야합니다. 밴드와 측면은 "음극"입니다. 밴드가없는 측면은 "양극"입니다.
- 회로 구성 요소를 연결하기 전에 전원 공급 장치가 꺼져 있는지 확인합니다. 바나나 케이블을 사용하여, 저항기의 한쪽에 전원의 양단을 연결하고, 저항기의 다른 쪽은 다이오드의 양극에 연결합니다. 그런 다음, 심미터 모드에서 다미터를 다이오드의 음극에 연결하고, 심미터의 다른 단단을 전원의 음극에 연결하여 회로를 완성한다.
- 실내 온도를 기록합니다.
- 전원 공급 장치를 설정하여 5V 직접 전류를 생성한 다음 켭니다.
- 다이오드의 양극에 멀티미터의 양수 납과 음극에 음수 리드를 놓습니다.
- 이 구성에서 다이오드는 전방 편향으로 간주되므로 회로를 통해 흐르는 전류가 있어야 하며 멀티미터는 전압을 표시해야 합니다. 멀티미터가 표시하는 전압과 전류를 기록합니다.
- 전원 공급 장치를 조정하여 다른 전압을 생성합니다. 두 다이오드와 연이어 연결해야 하는 두 개의 멀티미터에서 전압 및 전류 판독값을 기록합니다.
- 전압 범위에 대해 이전 단계를 여러 번 반복합니다. 각 반복 중에 주변 온도도 기록합니다.
- 멀티미터를 제거하고 전원 공급 장치를 끕니다. 이러한 전압은 위험한 수준은 아니지만 회로 구성 요소를 처리할 때 전원 공급 장치를 끄는 것이 항상 안전합니다.
- 다이오드를 뒤집는 것을 제외하고 모든 연결과 설정을 동일하게 유지합니다. 음극은 이제 양극이 이전에 연결된 위치에 연결되며 양극의 경우도 마찬가지입니다.
- 다이오드 양극의 멀티미터의 양수 리드와 음극의 음수 리드로 전원 공급 장치를 다시 켜고 다이오드 를 가로 질러 멀티미터를 다시 연결합니다.
- 표시되는 새 전압 및 전류를 기록합니다. 멀티미터의 감도를 조정해야 할 수도 있습니다. 이제 다이오드가 역편향되었으므로 작은 전류만 회로를 통해 흐를 수 있습니다.
- 쇼클리 다이오드 방정식을 사용하여 다이오드 및 다이오드 온도를 가로지르는 전압의 함수로서 다이오드를 통과하는 전류를 계산합니다. 내가 앉아 있다고 가정 = 4 10-10 A.
- 전원 공급 장치를 끄고 다이오드를 LED로 교체합니다.
- LED에는 두 개의 핀이 있습니다. 핀이 길수록 양극이 길고 핀이 짧을수록 음극이 됩니다. 전방 편향 및 역편향 구성에서 LED를 관찰합니다.
- LED가 전방향 편향된 경우에만 전류가 흐르기 때문에 LED는 전방 편향 된 구성에서만 켜지고 역편향 된 구성에서 어두워집니다.
반도체는 전자 제품을 제작하는 데 광범위하게 사용되며 글로벌 반도체 산업의 기반입니다.
반도체는 일반적으로 절연체와 구리 또는 금과 같은 대부분의 금속 사이의 전도도를 가지는 고체 물질입니다. 반도체 재료의 가장 일반적인 유형은 얇고 연마 된 웨이퍼의 형태로 제공되는 결정성 실리콘입니다.
반도체, p형 및 n형의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 이들은 p-n 접합또는 p-n-p 트랜지스터와 같은 반도체 장치를 구축하기 위해 서로 다른 구성으로 제작됩니다. 각 구성은 다양한 전자 기기에서 유용한 고유한 전기 적 특성을 가지고 있습니다.
이 비디오는 반도체 재료의 기본 원리와 p-n 접합의 특성을 다이오드 형태로 제시합니다. 다음으로 다이오드를 특성화하는 단계별 프로토콜을 설명하고 반도체의 실제 응용 프로그램을 보여줍니다.
실리콘과 같은 대부분의 순수하거나 본질적인 반도체는 뛰어난 전기 도체가 아닙니다. 이것은 각 실리콘 원자가 그 원자 또는 가장 바깥쪽 껍질에 4개의 전자를 가지고 있기 때문입니다. 이 전자를 인접한 실리콘 원자와 공유하여 공유 결합을 형성하여 자유 전자가 없는 격자 구조를 만듭니다. 따라서 반도체는 도핑이라고도 하는 공정인 불순물을 첨가하여 도핑 또는 외외 반도체를 형성함으로써 더욱 전도성이 가된다.
이러한 불순물은 기증자와 수락자의 두 가지 유형입니다. 인과 비소와 같은 "기증자"는 그들의 원자 껍질에 5 개의 전자가 있습니다. 이들 중 4개는 인접한 실리콘 원자와 공유 결합을 형성하는 데 사용됩니다. 나머지 전자는 격자를 통해 자유롭게 이동합니다. 전자가 지배적인 전하 운반선인 도핑 반도체의 이 유형은 n형 반도체라고 합니다.
이제 불순물이 붕소 또는 알루미늄과 같은 수용자 분자인 경우 결과는 다릅니다. 이 수용자는 그들의 원자 껍질에 단지 3개의 전자가 있습니다. 따라서 수용자 원자가 주변 실리콘 원자와 결합을 형성하면 양전하 전자로 효과적으로 작동되는 "구멍"이라고 불리는 양전전 영역을 남깁니다. 구멍은 이제 격자를 통해 자유롭게 이동할 수 있습니다. 구멍이 대부분의 충전 캐리어인 도핑 반도체의 이 유형은 p형 반도체라고 합니다.
이제 단일 반도체 결정이나 웨이퍼의 영역이 기증자 원자로 도핑되고 인접한 영역이 수용자 원자로 도핑되면 p-n 접합이 형성됩니다. p-와 n-리전 사이의 인터페이스를 접합 경계라고 합니다.
접합 경계에서, n-리전에서 의 과잉 전자는 p-영역을 향해 확산되고, 동시에 p-영역내의 과잉 구멍이 n-영역을 향해 확산된다.
이러한 확산의 결과로, n-region에 있는 기증자 원자는 움직이지 않는 양성 이온이 되고, p-지구에 있는 수용자 원자는 움직이지 않는 부정적으로 충전된 이온이 됩니다. 따라서, p와 n-영역 사이의 경계에서, 이동전자와 구멍에서 결핍되는 "고갈 영역"이 형성된다.
p형 고갈 영역내의 음이온은 n-리전에서 p-영역으로 확산되는 전자를 격퇴하고, n형 고갈 영역의 양온은 p-지역에서 n-영역으로 확산되는 구멍을 격퇴한다.
즉, 고갈 영역에서 이온이 축적된 전기장은 전류가 접합을 가로질러 흐르는 것을 효과적으로 차단합니다. 그러나, 전류는 교차로에 전압을 적용하여 다시 흐르도록 할 수 있습니다.
양전압 강하가 적용되면 고갈 영역의 폭이 감소하여 전자와 구멍이 접합을 가로질러 점프하여 전류가 구성을 통해 흐르기 때문에 지역의 전기장이 감소합니다.
반대로 "역바이어스"라고 하는 접합부에 음수 전압 강하가 적용되면 고갈 영역 폭이 증가합니다. 이것은 차례로 지역의 전기 장 강도와 접합을 가로 질러 전자와 구멍의 흐름에 대한 저항을 증가시킨다.
따라서 전류는 p-n 접합을 통해 한 방향으로만 흐릅니다. 쇼클리 다이오드 방정식은 다이오드의 전압 강하 및 온도의 함수로이 전류를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 여기서 'e'는 전자 충전, 'n'은 이상적인 다이오드에 비해 실제 다이오드가 어떻게 수행되는지, 'Kb'는 볼트만의 상수이며, 'Isat'는 역편향이 있더라도 장치를 통해 흐르는 작은 누설 전류이다.
기본을 완료한 후 p-n 접합을 특성화하기 위해 단계별 프로토콜을 검토해 보겠습니다. 먼저 필요한 재료와 계측기, 즉 반도체 다이오드, 발광 다이오드 또는 LED, 전원, 2개의 디지털 멀티미터, 1km-ohm 저항기, 일부 바나나 케이블 및 커넥터 및 온도계를 얻습니다.
반도체 다이오드를 살펴보고 빨간색 단자와 검은 단말이 있는지 확인합니다. 검은 색 단자는 음극이라고하며 빨간색 단자는 양극입니다.
다음으로, 저항기와 연재된 디오드의 양극을 연결합니다. 그런 다음, 바나나 케이블을 사용하여, 저항기의 연결되지 않은 끝에 전원의 양단을 연결합니다. 다음으로 다이오드의 음극을 심미터의 양극단과 심미터의 음수 단자에 전원의 음수 단말과 연결하여 회로를 완료하여 회로를 완성합니다.
다이오드는 이제 전방 편향되어 있습니다. 방의 온도를 기록합니다. 다음으로, 회로를 통해 +5 볼트 직접 전류를 공급하도록 전원 공급 장치를 설정합니다.
다이오드가 전방 편향되어 있기 때문에 회로를 통해 흐르는 전류가 있어야 하며 다이오드를 가로질러 전압이 떨어집니다.
다음으로, 다이오드양극에 두 번째 멀티미터의 양수 납과 음극의 음수 리드를 연결합니다. 멀티미터가 볼트미터 모드에 있는지 확인하고 전압 강하를 측정합니다. 또한, 암경계에 의해 기록된 전류를 기록합니다.
이제 전원 공급 장치를 조정하여 서로 다른 전압을 생성하고 광미터를 사용하여 다이오드를 가로질러 해당 하강을 기록하고 심미터를 사용하여 전류를 기록합니다.
또한 각 판독값의 주변 온도를 기록하고 다양한 다이오드 전압에 대한 프로토콜을 반복합니다.
모든 측정값이 기록되면 볼트계를 분리하고 전원 공급 장치를 끕니다. 다른 모든 것을 동일하게 유지하면서 양극및 음극 연결이 이제 반전되고 다이오드가 역 편향 모드에서 연결되도록 다이오드를 뒤집습니다.
전원 공급 장치를 켜고 다이오드의 양극에 연결된 멀티미터의 긍정적 리드와 음극으로 이어지는 다이오드 를 가로질러 볼트미터를 다시 연결합니다.
다이오드를 가로질러 전압 강하를 기록하고, 다이오드를 통해 흐르는 온도와 전류를 다이오드 전압의 범위에 대해 기록합니다. 전원 공급 장치를 끄고 다이오드를 분리합니다.
마지막으로 다이오드 대신 LED를 연결하고, 전압 강하 범위에 대해 전방 및 역 바이어스 구성 모두에서 LED를 관찰한다.
이제 프로토콜이 완료되면 다이오드와 LED를 모두 사용하여 전방 및 역 편향 실험의 결과를 살펴보겠습니다. 먼저, 쇼클리 다이오드 방정식을 사용하여 다양한 전압 강하에 대해 다이오드를 통과하는 전류를 계산하고 제조업체는 Isat 값을 제공한다. 예를 들어, 293켈빈의 온도와 555밀리 볼트의 측정다이오드 전압의 경우, 다이오드를 통한 전류는 0.913 밀리 암페레스로 계산될 수 있다.
전방 및 역 편향에 연결된 다이오드가 있는 회로 측정에 대한 일반적인 결과가 테이블에 나열됩니다. 계산및 측정전류는 측정된 다이오드 전압의 함수로 플로팅됩니다. 이를 다이오드의 "특성 곡선"이라고 합니다.
플롯은 다이오드 전압에서 측정된 전류와 계산된 전류모두의 기하급수적 의존성을 보여줍니다. 구체적으로, 다이오드가 전방편향이 있을 때 전류가 흐를 수 있도록 하는 것이 관찰된다.
그러나 다이오드가 역편향되면 전류가 흐르지 않고 한 방향으로만 전류 흐름을 허용하는 밸브가 됩니다. 다이오드가 역편향되어 도저히 흐름을 유지하는 작은 전류는 채도 전류입니다.
반도체는 TV 디스플레이에 사용되는 간단한 LED부터 과학 데이터 처리 목적으로 사용되는 복잡한 슈퍼 컴퓨터에 이르기까지 전체 전자 산업의 기초를 형성합니다.
반도체는 p-n 접합부 나 다이오드뿐만 아니라 n-p-n 또는 p-n-p 접합제인 트랜지스터를 구축하는 데 사용됩니다. 이 트랜지스터는 모든 현대 전자 제품의 기초입니다, 그들은 논리 게이트를 구성하는 데 사용할 수 있습니다, 이는 AND, OR, NOT, 및 NAND와 같은 기본적인 부울 논리 작업을 수행 할 수있는 회로입니다. 이러한 논리적 작업은 디지털 추가 및 곱셈과 같은 보다 복잡한 작업을 수행하기 위해 필요에 따라 결합될 수 있습니다. 컴퓨터 프로세서와 메모리를 빌드하는 데에도 사용할 수 있습니다.
반도체 재료는 광학 전자 제품의 적용을 위한 빛을 생성하는 데도 사용할 수 있습니다. 예를 들어 발광 다이오드 또는 LED는 활성화될 때 빛을 방출하는 p-n 접합입니다. 적절한 전압이 적용되면 전자는 장치 내의 구멍과 재결합하여 빛의 형태로 에너지를 방출합니다.
반도체로 만든 LED는 기존의 백열 전구보다 에너지 효율이 높습니다. 따라서 LED는 환경 및 작업 조명, 전자 디스플레이 및 첨단 통신 기술의 응용 프로그램을 발견했습니다.
방금 JoVE가 반도체에 도입되는 것을 지켜보았습니다. 이제 반도체의 기본과 p-n 접합의 원리, 작동 및 특성을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
회로 측정에 대한 일반적인 결과는 표 1에표시됩니다. 쇼클리 다이오드 방정식은 다이오드의 온도와 전압 강하의 함수로서 다이오드를 통해 전류를 설명합니다. 293.0 K의 온도, 다이오드 를 가로지르는 555mV의 전압 및 n = 1.5의 임의(하지만 대표적인) 이상성 계수의 경우,
다이오드를 통한 전류는 모든 측정된 전압에 대해 계산됩니다. 다이오드의 특성 곡선(전류전압 함수로 전류)은 도 1에플롯된다. 전압에 대한 전류의 기하급수적 의존도는 명확하게 볼 수 있습니다. 전방 편향시 다이오드는 전류가 흐를 수 있도록 합니다. 역편향시 미세한 포화 전류만 흐를 수 있어 다이오드가 한 방향으로만 전류 흐름을 허용하는 밸브로 만들 수 있습니다.
표 1: 결과.
| 측정 전압(V) | 측정 온도(K) | 측정된 전류
(mA) |
계산된 전류(mA) |
| 0.555 | 293.0 | 0.372 | 0.913 |
| 0.617 | 293.1 | 1.813 | 4.66 |
| 0.701 | 293.1 | 114.67 | 42.7 |
| -0.523 | 293.2 | 0.0014 | -4 × 10-7 |
| -0.620 | 293.0 | 0.0011 | -4 × 10-7 |
| -0.695 | 292.9 | 0.0008 | -4 × 10-7 |
그림 1: 쇼클리 다이오드 방정식의 이론적 포인트는 파란색입니다. 측정된 데이터 포인트는 빨간색입니다. n = 1.5의 임의 이상성 계수는 쇼클리 다이오드 방정식에 사용되었습니다. 다이오드의 진정한 이상성 계수가 알려진 경우 측정값과 이론적 값 간의 불일치가 사라질 수 있습니다.
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Applications and Summary
이 연구소는 반도체다이오드 형태의 반도체 및 p-n 접합의 특성을 탐구했습니다. 다이오드는 하나의 p-n 접합체로 구성된 회로 구성 요소입니다. 다이오드의 특성 곡선을 측정하였고, 다이오드는 한 방향으로만 전류를 수행하는 것으로 관찰되었다. LED에는 단방향으로 수행되는 것 외에도 빛을 방출하는 특수 유형의 p-n 접합이 포함되어 있습니다.
반도체는 전자 산업에서 광범위하게 사용됩니다. 반도체 다이오드는 단일 p-n 접합만 포함하며 트랜지스터는 n-p-n 및 p-n-p 접합부로 만들어집니다. 즉, 두 개의 p-n 접합이 서로 직접 옆에 있습니다. 반도체 트랜지스터는 거의 모든 현대 전자 제품의 기초입니다. AND, OR, NOT 및 NAND와 같은 기본 부울 논리 작업을 수행할 수 있는 회로인 로직 게이트를 구성하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 논리적 작업을 결합하여 추가 및 곱셈과 같은 보다 복잡한 작업을 수행할 수 있으며 컴퓨터 프로세서 및 메모리를 빌드하는 데 사용할 수도 있습니다. 반도체로 만든 LED는 기존의 백열 전구보다 에너지 효율이 높습니다.
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