에너지 띠 이론과 반도체 ② {pn접합, 전기 회로 분석}

2024.08.22 - [2024 물리학I 톺아보기] - 에너지 띠 이론과 반도체 ① {고체의 에너지 띠, 불순물 반도체}

에너지 띠 이론과 반도체 ① {고체의 에너지 띠, 불순물 반도체}

 

판서 조직도

목표 기출 문제

16년도 수능 물리1 12번

답: 4번

 

1. pn 접합, 다이오드

전구와 발광다이오드 LED

 

전구와 LED 모두 빛을 내는 전기 부품이지만 빛의 발생 원리며 작동 방식에 있어서 다소 차이가 있습니다. 일단 전구는 저항이기 때문에 전류가 흐르면 그에 따른 열작용으로 빛이 발생합니다. 그리고 건전지와 어떻게 연결되든지 상관없이 빛이 발생하죠. 반면 LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 만든 전기 부품이기 때문에 저항과는 본질적으로 다릅니다. 때문에 빛의 발생 원리도 전류의 열작용으로 설명되지 않을뿐더러 LED는 건전지를 어떻게 연결하느냐에 따라 빛의 발생 여부가 결정됩니다. 이러한 LED의 특성을 이해하기 위해서는 불순물 반도체가 서로 만났을 때 벌어지는 물리적 현상을 알아야 합니다.

 

직류와 교류의 차이

 

(좌) 교류 전압 (우) 직류 전압

 

직류 전기는 크기와 방향이 일정한 형태로 건전지에서 공급되는 전기가 직류의 표본입니다. 반면 교류 전기는 크기와 방향이 주기적으로 변하는 형태로 콘센트에서 공급되는 전기가 교류의 표본입니다.

 

1) 다이오드의 정류 작용

 

향수를 뿌리면 향 분자들은 주위의 공기로 확산됩니다. 이와 같은 확산 현상이 일어나는 까닭은 보통 공기 중에 향수 분자가 거의 없기 때문이죠. "p형 반도체엔 비교적 양공"이 많고, "n형 반도체엔 비교적 전자"가 많아요. 비유하자면, 두 개를 접합시키면 전자와 양공은 자신과 같은 존재들이 많이 없는 곳으로 확산되는 거죠. 어느 정도 시간이 지나 평형 상태(=확산하려는 힘과 전기력의 크기가 비슷해질 때)에 도달하는 순간, 전자와 양공의 확산이 멈추게 되면서 공핍 영역(=고갈 영역)이 만들어집니다. 

 

① 순방향 전압을 걸어줄 때

 

 

p형 반도체를 전지의 (+)극 쪽에 연결하면, 양전하처럼 행동하는 "p형의 양공은 건전지의 (+)극에 의한 척력"에 의해 오른쪽으로 더 밀려가요. n형 반도체를 전지의 (-)극 쪽에 연결하면, "n형의 전자는 건전지의 (-)극에 의한 척력"에 의해 왼쪽으로 더 밀려가요. 따라서 공핍 영역의 두께가 얇아지는 효과가 나타나므로 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 높아지면서 전류가 흐를 수 있게 됩니다.

 

 

 

 

② 역방향 전압을 걸어줄 때

 

 

반대로 p형 반도체를 전지의 (-)극 쪽에 연결하면, 양전하처럼 행동하는 "p형의 양공은 건전지의 (-)극에 의한 인력"에 의해 왼쪽으로 끌려가요. n형 반도체를 전지의 (+)극 쪽에 연결하면, "n형의 전자는 건전지의 (+)극에 의한 인력"에 의해 오른쪽으로 끌려가요. 따라서 공핍 영역이 두꺼워지는 효과가 나타나므로 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 낮아지면서 전류가 잘 흐를 수 없게 됩니다.

 

 

 

 

 

따라서 LED에 순방향으로 전압을 걸어주면 빛이 나고, 역방향으로 걸어주면 빛이 나지 않습니다. "정류장을 지나치는 버스나 지하철이 한 방향으로만 운행"하듯이 "전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 작용을 정류 작용"이라 합니다. 

 

그래프로 보는 정류 작용

 

2) 전기 회로 규칙

 

한 회로에 전류가 흐른다는 건 전류가 건전지의 (+)극에서 나와 (-)극으로 들어감을 뜻합니다. 이때 알아야 할 전기 회로 규칙 세 가지를 정리합니다.

 

① 분기점에서 나뉘게 된 전류 I1과 I2의 합은 전체 전류 I와 같습니다.

② 전류는 끊어진 전선을 싫어합니다.

③ 전류는 저항이 없는 전선을 좋아합니다.

 

다이오드가 있는 전기 회로의 분석

• 역방향 전압이 걸린 다이오드는 끊어진 전선으로 취급
• 순방향 전압이 걸린 다이오드는 저항이 없는 전선으로 취급

 

22년도 4월 학평 물리학1 11번 풀이

 

 

스위치를 a에 연결하면 D에 역방향 전압이 걸리므로 전류는 C로 흘러야 합니다. 즉 C에 순방향 전압이 걸립니다.  A와 B는 위치상 둘 중 하나에 역방향 전압이 걸려야 할텐데, A에 역방향 전압이 걸린다면, B에 순방향 전압이 걸린다는 것이고, 그렇다면 B는 저항이 없는 전선이 되어버리기에 전류는 저항이 없는 B로 다 흘러버립니다. 그래서 전구에 불이 들어오지 않죠. 이는 문제 조건에 부합하지 않기에 전류는 전구를 지나 A로 흘러야만 합니다. 따라서 A에 순방향 전압이 걸리고 B에 역방향 전압이 걸려요. A에 순방향 전압이 걸린다는 것은 X가 n형 반도체라는 걸 의미합니다.

 

 

스위치를 b에 연결하면 A에 역방향 전압이 걸리므로 전류는 B로 흐릅니다. 회로의 전압 방향이 바뀌었기 때문에 이젠 C에 역방향 전압이 걸리게 되고 D에 순방향 전압이 걸리게 돼서 전류는 D로 흘러가야 닫힌 회로를 순환할 수 있게 됩니다. 따라서 전류는 전구를 지나야만 해요. 따라서 이 문제의 답은 3번입니다.

 

3) 다이오드의 활용

① 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)

 

이름 그대로 빛을 방출하는 p-n 접합입니다. 순방향 전압이 걸리면 양공은 n영역으로, 전자는 p영역으로 이동하여 접합면에서 서로 결합하며 빛을 발산합니다. 발광 다이오드는 시계, 전자 장치 외에 많은 장치의 디지털 화면에 사용됩니다.

 

BLUE - 빅뱅

https://www.youtube.com/watch?v=zj_tWuMgrPw 

 

전구가 지금의 LED로 대체될 수 있었던 가장 큰 이유는 물리학이 양자역학을 비롯한 현대물리 체계로 확장되면서 고체 물질에 대한 본격적인 탐구가 가능해지고 그에 따라 반도체의 특성을 활용할 수 있었기 때문입니다. 백색광은 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED가 내는 빛을 합성하여 만드는데, 그 개발의 여정은 생각보다 순탄치 않았어요.

 

LED는 적, 녹, 청의 순서로 만들어졌습니다. 붉은빛보다 푸른빛에 가까울수록 빛 에너지가 커지다 보니 적색 LED보단 청색 LED가 만들기 어려웠죠. 적색 LED가 나오고 청색 LED가 나오는 데 무려 27년이나 걸렸습니다. 각고의 노력 끝에 나카무라 슈지를 포함한 일본 과학자들이 청색 LED를 만들었고, 이에 대한 공로로 2014년 노벨 물리학상을 받았습니다.

 

 

도대체 청색 LED가 뭐길래 개발자들에게 노벨상까지 수여했을까요? 이 자그마한 부품 하나가 인류의 삶에 큰 영향을 미쳤기 때문입니다. 일단 청색 LED 개발 성공으로 인해 백색광 LED의 마지막 퍼즐이 맞춰지게 됐죠. 백색광 LED는 형광등보다 훨씬 밝은 빛이 나오는 데다 수명도 훨씬 긴 광원이기에 에너지 효율이 매우 높습니다. 따라서 저전력으로도 LED 작동에 큰 무리가 없기에 전력 공급이 불안정한 개발도상국에서도 어려움 없이 LED를 사용할 수 있습니다. 더불어 청색 LED는 더 높은 에너지 영역, 가령 자외선 LED 개발을 야기했고, 그로 인한 자외선 살균은 빈곤 국가들이 겪는 오염된 물로 인한 질병에서도 많은 인류를 구할 수 있었어요. 이로써 혹독한 겨울을 보내던 인류에게 BLUE는 봄이었습니다.

 

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② 광 다이오드

 

LED의 반대 과정으로 작동하는 다이오드입니다. 빛을 비추면 전자와 양공 쌍이 생성됨에 따라 전류가 흐르는 다이오드로써 자동문, 리모컨 수신 장치 등에 이용됩니다.

 

도전 기출 문제

18년도 4월 학평 물리1 15번

답: 3번

 

22년도 수능 물리학1 10번

답: 1번