고등학교 물리와 화학 교과서에서 볼 수 있는 반도체는 주기율표에서 Si, Ge, As등 13~15족에 속하는 물질들로 이루어집니다. 이들은 도체보다는 전도성이 약하고, 부도체보다는 강한 특징을 갖고 있어 반도체라고 불립니다. 전도성은 원자들의 에너지 띠의 간격과 퍼텐셜 에너지로 결정됩니다.
Figure 1. 반도체의 에너지 띠
이런 퍼텐셜 에너지의 차이로 인해 p형과 n형 반도체를 붙이면 반도체 안에 있던 전자가 퍼텐셜이 작은 방향으로 흐르게 됩니다. 전자가 느끼는 퍼텐셜 에너지를 전압이라고 부르고, 전자가 흐르는 현상을 전류라고 부릅니다. 앞서 말한 현상으로 인해 흐르는 전류는 확산 전류(Diffusion Current) 라고 부르는데요, 이는 RLC를 사용한 전기회로에서 전압을 가해 주어야만 흐르는 표동 전류(Drift Current)와 많은 차이가 있습니다. 확산 전류는 따로 전압을 가해주지 않아도 퍼텐셜 차로 인해 자연스럽게 전류가 흐르기 때문입니다.
Figure 2. p-n접합 다이오드의 전압-전류 그래프
반도체의 확산 전류는 이러한 독특한 현상으로 인해, 우리가 익히 알고 즐겨 사용하는 옴의 법칙이 적용되지 않습니다. 옴의 법칙은 표동 전류만으로 흐르는 선형 회로(Linear Circuit)에만 적용이 가능하거든요. 선형 회로란 R, L, C를 사용한 회로라고 알고 있으면 됩니다. 더 자세한 내용은 문단 아래에 링크를 참고해도 좋아요.
아무튼 p-n접합이 사용된 회로에는 1차함수의 옴의 법칙이 아닌, Figure 2. 와 같이 지수함수로 표현되는 식이 사용됩니다. 이 모든 건 반도체의 독특한 에너지 띠가 만드는 특별한 현상, 확산 전류로 인해 발생하는 것이랍니다. 이것이 다이오드가 특별한 이유이고, 앞으로 다이오드를 업그레이드한 트랜지스터로 스위치 작용이나 증폭 작용을 가능하게 하는 근본적 원리가 됩니다.
Wikipedia: Linear Circuit
https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_circuit
작성자 : 공우 13기 정준오
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