순수반도체(고유반도체)
순수 반도체는 불순물 없이 순수한 형태의 반도체로서, 미네랄 등의 천연 자연물로부터 정제된 반도체를 말합니다. 순수 반도체는 전기적으로 공유전자를 통해 전기 신호를 전달하는데 사용되는 반도체 소자를 제작하는 기본적인 재료입니다.
순수 반도체의 가장 대표적인 예는 규소(Si)입니다. 규소는 지구의 껍질에 가장 많이 존재하는 원소로, 순수한 형태로 정제하여 반도체 소자 제조에 사용됩니다. 또한 산화규소(SiO2)와 같은 규소의 산화물도 중요한 반도체 소자인 절연체를 만드는데 사용됩니다.
순수 반도체는 전자와 양공(빈공)을 이용하여 전기 신호를 전달하는데 사용되며, 반도체 소자의 성능과 기능은 순수 반도체의 품질에 크게 영향을 받습니다. 순수 반도체가 양호한 특성을 갖추고 있다면, 반도체 소자로 제조된 전자 기기나 회로가 안정적으로 동작하고 효율적으로 작동할 수 있습니다.
N형반도체
N형 반도체는 P형 반도체와는 반대로 전자의 전도와 전자공의 운반에 기반하여 전기적 특성이 도체와 절연체 사이에 위치한 반도체의 한 형태입니다. N형 반도체는 일반적으로 인도, 인듐 등 P형 반도체와 다른 비금속 원자가 반응하여 생성됩니다. 이러한 비금속 원자들은 외부로부터 전자를 공급하고, 이로 인해 빈공이 생성됩니다. 이 빈공은 전기를 전달하는데 중요한 역할을 합니다. N형 반도체의 주요 특징은 전자를 물질 내에서 전자공으로 두고, 결합 양이온을 생성하는 데 있습니다.
N형 반도체의 구조를 이해하기 위해 '받아옴 이온'이라고 불리는 외부로부터 전자를 받아들이는 불순물을 이용합니다. 이러한 받아옴 이온이 반도체 내에 삽입되면 원자 구조가 변경되고 전기적 전도성이 증가합니다. 이로 인해 N형 반도체는 전자의 과잉을 가지고 있으며, 전기적으로 음성이라고 불리는 캐리어 형태를 가지게 됩니다.
P형반도체
P형 반도체는 전자의 전도와 전자공의 운반에 기반하여 전기적 특성이 도체와 절연체 사이에 위치한 반도체의 한 형태입니다. 반도체는 일반적으로 원자가 반응하여 생성되며, 그 구조와 물성은 금속과 절연체 사이에 위치하여 일정한 물질로 정의됩니다. 반도체의 기본 원리는 전기적 전도성이 온도나 원자 농도의 변화에 따라 변할 수 있다는 것입니다.
P형 반도체는 산소, 황 등 비금속 원자가 반응하여 생성됩니다. 이러한 비금속 원자들은 외부로부터 전자를 흡수하고, 이로 인해 공중에 빈공이 생성됩니다. 이 공중은 전기를 전달하는데 중요한 역할을 합니다. P형 반도체의 주요 특징은 전자를 물질 내에서 양이온으로 남기고, 결합 전자공(공중)을 생성하는 데 있습니다.
P형 반도체의 구조를 이해하기 위해 '도너 이온'이라고 불리는 외부로부터 전자를 제공하는 불순물을 이용합니다. 이러한 도너 이온이 반도체 내에 삽입되면 원자 구조가 변경되고 전기적 전도성이 증가합니다. 이로 인해 P형 반도체는 전자의 과잉을 가지고 있으며, 전기적으로 양성이라고 불리는 캐리어 형태를 가지게 됩니다.
다이오드(Diode)
다이오드(Diode)는 반도체 소자의 하나로서, 전기적으로 양방향 전류를 흐르게 하는 특별한 속성을 가지고 있습니다. 다이오드는 두 개의 전극(터미널)을 가지고 있으며, 이 두 전극은 "안쪽"과 "바깥쪽"으로 표현되는데, 안쪽은 애노드(Anode)라고 하고, 바깥쪽은 캐소드(Cathode)라고 합니다.
다이오드의 주요 특징은 "정류작용"이라는 것인데, 일방향 전류는 애노드에서 캐소드로만 흐를 수 있도록 허용됩니다. 즉, 애노드에서 캐소드 방향으로의 전류 흐름은 쉽게 일어나지만, 반대 방향으로의 전류 흐름은 막아냅니다. 이러한 특성 때문에 다이오드는 전류를 정류하는데 주로 사용되며, 저항으로도 간주될 수 있습니다.
다이오드의 동작 원리는 반도체 소자의 특성과 PN 접합이라는 개념에 기반합니다. PN 접합은 양의 전하를 가진 P형 반도체와 음의 전하를 가진 N형 반도체가 만나는 지점을 의미합니다. PN 접합에서는 P형과 N형 반도체 사이에서 이동 가능한 자유 전하를 가진 전자와 양공이 형성됩니다. 다이오드에서 애노드는 P형 반도체에 해당하고, 캐소드는 N형 반도체에 해당합니다.
PN 접합에서 전자와 양공이 만나면 상호 결합되어 전기적으로 중성화됩니다. 이로 인해 P형 반도체에서는 전자 공급이 감소되고 양공의 공급이 증가하게 되고, N형 반도체에서는 전자 공급이 증가하고 양공의 공급이 감소합니다. 이러한 상태에서 애노드 쪽으로는 양공이, 캐소드 쪽으로는 전자가 이동하여 일방향 전류가 형성됩니다.
트랜지스터(Transistor)
트랜지스터(Transistor)는 반도체 소자로서, 전류를 증폭하거나 스위치로 사용하는데 이용되는 중요한 부품입니다. 일반적으로 세 개의 전극(터미널)을 가지고 있는데, 이는 기본적으로 '베이스(Base)', '컬렉터(Collector)', '에미터(Emitter)'로 구성됩니다.
트랜지스터는 다이오드의 두 개의 PN 접합을 합쳐 만든 구조로서, 일반적으로 NPN 형태와 PNP 형태의 두 가지 유형이 있습니다. NPN 트랜지스터는 P형 반도체를 사이에 두고 N형 반도체로 구성되어 있으며, PNP 트랜지스터는 N형 반도체를 사이에 두고 P형 반도체로 구성되어 있습니다.
트랜지스터의 기본 동작 원리는 베이스-에미터 사이에 약한 전류를 주입하여 베이스 전류를 제어함으로써 컬렉터-에미터 사이에서 훨씬 강한 전류가 흐르도록 만드는 것입니다. 이러한 특성으로 인해 트랜지스터는 입력 신호를 증폭하거나 출력 신호를 제어하는데 사용될 수 있습니다.
트랜지스터의 동작 방식에 따라 다양한 용도로 활용됩니다. 주로 앰프리파이어(Amplifier)나 논리 게이트(Logic Gate) 등으로 사용되어 전기 신호를 증폭하거나 스위치로서의 역할을 수행합니다. 또한, 디지털 컴퓨터의 논리 회로부터 라디오 및 텔레비전에서의 신호 처리에 이르기까지 다양한 분야에서 필수적인 부품으로 사용됩니다.