반도체 기본 - N, P형 반도체 / 다이오드, 트렌지스터 / P,N,C MOS

N형 반도체 

N형 반도체 영역은 자유 전자가 풍부하고 양의 공환이 부족한 반도체

 

P형 반도체

P형 반도체 영역은 양의 공환이 풍부하고 전자가 부족한 반도체

 

양공은 전자를 이동시키고 전류를 생성할 수 있다.

 

실리콘 Si는 반도체 산업에서 가장 널리 사용되는 물질 중 하나다. 4개의 전자를 가진 외각 전자껍질을 가지고 있어, 불순문 첨가를 통해 P형 반도체와 N형 반도체를 만든다.

 

P형 반도체를 만들기 위해서는 3족 원소를 첨가하여 최외각 전자가 1개 부족한 상태 = 정공이 하나 발생하게 된다.

N형 반도체를 만들기 위해서는 5족 원소를 첨가하여 최외작 전자가 5개로 전자 1개가 남게된다.

---

PN 접합 다이오드

P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 만든 부품

한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 특징을 가진다.

 

p형과 n형을 접합시키면 n형에 있던 자유전자가 p형으로 건너와서 정공과 결합 pn 접합부위에는 공핍층이 항상 존재하고, 공핍층은 전류가 흐르지 않는다.

 

 

위와 같이 p형에 +전압을 n형에 -전압을 가해주게 되면 척력에 의해 n형의 전자를 밀어내어 p형 방향으로 보내고, 전압 세기가 세지면 공핍층을 지나 전자가 이동하게 되면 전류가 흐르게 된다.

 

위와 같은 경우에는 p형에 -전압, n형에 +전압을 가하면 인력에 의해 공핍층이 커지고 전류는 흐르지 않게 된다.

---

트랜지스터

트랜지스터는 다이오드의 pn 접합을 하나 더 붙인 형태, 즉 pnp접합 또는 npn 접합의 구조를 가진 부품이다.

 

VF 순방향 전압에 의해서 이미터의 전자가 베이스쪽으로 흐르게 되고, 양공과 결합하지 못한 전자들이 컬렉터로 이동하면서 전류가 발생하게 된다.

트렌지스터가 동작한다는 것은 이미터에서 콜렉터로 전류가 흘른다는 것을 의미한다.

---

MOS FET

트랜지스터의 전력소모를 줄이기 위해 고안되었다. 공핍형과 증가형 MOS 두가지가 있는데 증가형 MOS를 주로 사용한다.

MOS는 Metal, Oxide, Semiconductor층으로 이루어져 있다.

출처 : https://www.skcareersjournal.com/2689

게이트와 벌크 사이에 아무런 바이어스 전압이 가해지지 않으면 드레인과 소스 사이에 채널이 형성되지 않아서 전류가 흐르지 않는다.

 

P형 기판을 기준으로 게이트와 벌크에 전압을 가해주면 게이트의 양공들은 척력에 의해 벌크쪽을 향하게 되고, P형 반도체의 정공들은 -인력에 의해 아래로 향하게 된다.

N형 반도체의 전자들이 게이트 아래쪽에 모인 양공들을 향해 끌려 올라가게 되고, 전자들이 모여 채널을 형성하게 된다. 채널이 형성되면 해당 채널을 통해 전류가 흐를 수 있게 된다.

---

CMOS 

CMOS는 PMOS와 NMOS 트랜지스터가 합쳐진 기술이다. 두 가지 트랜지스터의 상호 보완적인 특성을 활용하여 전력 소비를 줄이고 빠른 속와 안정성을 제공한다.

NMOS는 pull-down이므로 전압을 인가하면 전류가 흐르고, 전압을 인가하지 않으면 전류가 흐르지 않는다.

PMOS는 pull-up이므로 전압을 인가하면 전류가 끊기고, 전압을 인가하지 않으면 전류가 흐른다.

(위의 NMOS, PMOS의 그림을 보게 되면 N,PMOS에 +,- 전압을 가했을 때 각 상황에서 왜 전류가 흐르고 흐르지 않는지 알 수 있다.)

 

즉, Input이 0이면 NMOS는 전류가 흐르지 않기 때문에 Output이 VDD와 연결되어 1이 되고, Input이 1이면 Output이 GND로 연결되어 0이 된다.