[자연과학] 일반물리학 실험 - 기초회로실험

1.실험제목

2.실험목적

3.관련이론

가) 다이오드 특성Ⅳ족 원소인 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)은 이들이 결정상태를 이루고 있을 때 각 원자가 가지고 있는 4개의 원자가 전자들이 이웃하는 4개의 다른 원자와의 강한 공유결합을 형성하고 이들에 속박되어 아주 큰 저항을 가지고 있다. 이 결정에 Ⅲ족이나 Ⅴ족의 불순물이 들어가면 일반적으로 전기저항이 감소한다. 인(P)과 같이 5개의 원자가전자를 가지는 Ⅴ족 원소가 미량 첨가되면, 이 Ⅴ족 원소의 4개 원자가전자는 이웃하는 4개의 Ⅳ족 원소와 공유결합을 이루고, 남은 1개의 원자가전자는 비교적 자유로이 움직일 수 있어 작은 전기 저항 값을 가지게 된다. 이와 같이 Ⅴ족 불순물을 첨가하여 자유로운 전자를 가지는 반도체를 n형 반도체라 한다. 반면에 갈륨(Ga)과 같이 3개의 원자가전자를 가지는 Ⅲ족 원소는 이웃의 3개의 Ⅳ족 원소 결정에 미량 첨가하면, Ⅲ족 원소는 이웃의 3개의 Ⅳ족 원소와 공유결합을 이루고 하나의 Ⅳ족 원소의 공유결합이 전자의 부족으로 형성되지 못하게 되어 결정격자에 양공(hole)을 형성하게 된다. 이와 같이 Ⅲ족 불순물을 첨가하여 양공이 형성된 반도체를 p형 반도체라 한다. 이와 같은 n형 반도체와 p형 반도체를 접합시켜 놓은 것이 반도체 다이오드이다. 이의 구조와 동작원리는 그림 Ⅲ-14 (c)와 같다. 그림 Ⅲ-14 (c)와 같이 p쪽에 +전위를, n쪽에 -전위를 걸어 주는 경우를 순방향 전압이라 하고, 그림 Ⅲ-14 (d)와 같이 반대로 전위를 걸어줄 때를 역방향 전압이라 한다. 역방향 전압의 경우, p형 반도체 층 내부영역의 양공은 낮은 전위의 -전극 쪽으로, n형 반도체 층 내부영역의 전자는 전위가 높은 +전극 쪽으로 끌려간다. 이 결과로 두 층 사이에 형성된 양공과 전자가 없는 빈 공간을 결핍 층(depletion layer)이라 부르며 이 결핍 층이 마치 전기저항이 매우 큰 절연체와 같아진다.이때 미세하게 흐르는 역방향 전류 는 다이오드 개별적 물성에 따라 달라지는 포화누설전류 로 나타난다. 반면에 순방향 전압의 경우, p형 반도체 층 내부영역의 양공은 낮은 전위의 n층 쪽으로, n형 반도체 층 내부영역의 전자는 전위가 높은 p층 쪽으로 이동하여 외부회로로 순방향 전류 가 흐른다. 이때의 전류는 상온 근처에서 로 표시된다. 여기서 e는 전자전하의 크기이고 T는 접합부위의 온도이다. 순방향 전압의 경우에는 작은 전기저항을 가지며 작은 전압에서도 많은 전류가 흐르나.k 항복전압 이내의 역방향 전압의 경우에는 많은 전압을 걸어 주어도 거의 전류가 흐르지 않는다. 역 전압이 항복전압 이상일 때는 다이오드는 절연체가 아닌 일반 저항체와 같아진다. 이와 같은 다이오드의 전기특성은 그림 Ⅲ-15와 같다. 일정한 항복전압에서 아주 작은 전기저항을 가지도록 특별히 고안된 것을 제너 다이오드(Zener diode)라 한다. 그림 Ⅲ-16은 정류특성을 나타낸다.

나) 키르히호프의 법칙

4.실험방법

1) 브래드보드에 저항 R(100Ω)과 다이오드를 직렬로 연결하고 전압 V를 순방향으로 인가해준다.

2) 멀티미터를 이용하여 저항 R과 다이오드에 걸리는 전압 및 회로에 흐르는 전류 I를 측정한다.

3) 전압의 크기를 바꿔가며 위의 과정을 반복하여 문턱전압 를 찾는다.

4) 역방향의 전압 V를 인가하며 위의 실험을 반복한다.

5.실험결과

① 순방향 바이어스 (Forward bias)

26.8mV

107.7A

② 역방향 바이어스(Reverse bias)

8.59mA