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1. 반도체

Ⅳ-2. 반도체와 신소재. 1. 반도체. 에너지 준위와 에너지띠 원자 구조 : 원자는 (+) 전하를 띠는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 (-) 전하를 띠는 전자로 이루어져 있다 . ◈ 수소 원자는 한 개의 원자핵과 한 개의 전자로 이루어져 있다 .

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1. 반도체

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Presentation Transcript

  1. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 1. 반도체 • 에너지 준위와 에너지띠 • 원자 구조 : 원자는 (+)전하를 띠는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 (-)전하를 띠는 전자로 이루어져 있다. ◈ 수소 원자는 한 개의 원자핵과 한 개의 전자로 이루어져 있다. • ◈14개의 전자를 가진 실리콘(Si) 원자 내의 첫 번째 궤도에는 2개의 전자, 두 번째 궤도에는 8개의 전자, 세 번째 궤도에는 4개의 전자가 존재한다. 가장 바깥 궤도에 존재하는 4개의 전자를 최외각전자라고 한다.

  2. 에너지 준위와 에너지띠 Ⅳ-2. 반도체와 신소재 • 수소 원자와 실리콘 원자의 구조 수소 원자 실리콘 원자

  3. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 에너지 준위와 에너지띠 • 에너지 준위와 에너지띠 • 에너지띠 : 원자가 무수히 많이 모여 고체를 이루면 전자가 가질 수 있는 에너지 폭이 넓어지는데 이를 에너지띠 • 에너지 준위: 원자 내의 전자는 아무 곳에나 있을 수 없고 정해진 궤도에서만 존재할 수 있으며 전자는 정해진 에너지만 가질 수 있다. 이때 전자가 가질 수 있는 에너지 값이다. • 에너지 간격: 에너지띠와에너지띠 사이 • 가전자(원자가전자)띠: 전자가 채워져 있는 에너지띠 중에서 원자핵과 가장 멀리 떨어져 있는 띠- 전 • 자가 존재하는 가장 높은 에너지 띠 • 전도띠 : 가전자(원자가전자)띠 바로 위에 비어있는 에너지 띠

  4. 에너지 준위와 에너지띠 • 원자의 에너지 준위

  5. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 도체, 부도체, 반도체 • 도체 • 열 또는 전기의 전도율이 비교적 큰 물체이다. • 은, 구리, 알루미늄 등의 금속은 가전자 띠에 전자가 부분적으로 채워져 있어서 전압을 걸면 전자가 쉽게 비어있는 에너지 준위로 이동할 수 있어 전류가 잘 흐른다. • 외부에서 전압을 걸면 쉽게 이동할 수 있는 전자를 자유 전자라고 한다.

  6. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 도체, 부도체, 반도체 • 부도체 • 전기, 열 등을 전하지 못하거나 전도도가 낮은 물체이다. • 가전자 띠에 전자가 완전히 채워져 있으며 가전자 띠와 전도띠 사이의 간격이 매우 넓어 전압을 걸어도 가전자 띠의 전자가 전도띠로 올라갈 수가 없기 때문에 전류가 흐르지 않는다.

  7. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 도체, 부도체, 반도체 • 반도체 • 도체(導體)와 부도체의 중간 성질을 갖는 물질이다. • 부도체와 비슷하지만 부도체보다 가전자 띠와 전도띠 사이의 에너지 간격이 비교적 작으므로 전압을 걸면 가전자 띠의 전자 중에서 전도띠로 올라갈 수 있는 전자들이 있어 전류가 흐른다. • 반도체로 트랜지스터를 만들 수 있는 이유는 불순물을 주입하면 전도띠의 전자수가 조절되어 전기적 성질을 제어할 수 있기 때문이다. 에너지띠 간격(좁다)

  8. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 불순물 반도체- 도핑 doping • n형 반도체 • 전류를 흐르게 하는 것이 (-)전하를 띠는 전자이므로 negative의 n을 따서 n형 반도체 • 실리콘이나 저마늄(Ge)에 최외각 전자가 5개인 인(P)이나 안티모니(Sb)를 소량 첨가 • 두 원소가 최외각 전자를 4개씩 공유하여 8개를 채우면서 결합하게 되고, 결합 후에 1개의 전자가 남게 되는데, 외부에서 전압을 걸어주면 남은 전자가 마치 자유 전자처럼 이동하면서 전류가 흐른다. • n형 반도체에선 자유 전자가 전하 운반자

  9. p형 반도체 • 전류를 흐르게 하는 양공이(+)전하를 띠는 입자처럼 이동하므로 positive의 p를 따서 p형 반도체 • p형 반도체는 실리콘이나 저마늄에최외각 전자가 3개인 붕소(B)나 알루미늄(Al)를 소량 첨가 • 양공: 실리콘과 붕소가 결합할 때 전자 1 개가 부족한 상태가 되어 전자가 들어갈 자리에 생기는 빈 구멍 • 외부에서 전압을 걸어 주면 양공 가까이에 있는 전자가 이동해 와서 양공을 채우고, 전자가 이동한 자리에는 또 다른 양공이 생기며, 전자들이 움직이면서 전류 발생 • 전자의 이동 방향과 양공의 이동 방향은 서로 반대 : p형 반도체에선 양공이 전하 운반자 Ⅳ-2. 반도체와 신소재

  10. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 • 도너donor: 인처럼 실리콘 결정에 첨가되어 전자를 공급하는 물질 ‘주게’ • 억셉터acceptor : 붕소처럼 실리콘결정에 첨가되어 정공을 제공하는 물질 ‘받게’ • 불순물반도체의 전기전도성은 약 10억 배 이상까지 증가시킬 수 있다.

  11. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 불순물 반도체 • 반도체의 구조 n형 반도체

  12. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 불순물 반도체 • 반도체의 구조 p형 반도체

  13. Ⅳ-2. 반도체와 신소재 반도체의 이용 • 반도체의 특징 • 반도체는 열을 가하면 전기 저항 감소 • 어떤 반도체는 빛을 비추거나 압력을 가하면 저항이 작아지는 성질이 있음 - 회로의 전류 조절 • 다이오드 • p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 것 • 다이오드에 전압을 걸어 주지 않으면 p형 반도체의 양공과n형 반도체의 전자가 각 부분에 고르게 분포되어 전류가 흐르지 않음

  14. 반도체의 이용 Ⅳ-2. 반도체와 신소재 • 다이오드 • 순방향 전압: p형 반도체에 전지의 (+)극을 , n형 반도체에 전지의 (-)극을 연결하면 p형 반도체의 양공과n형 반도체의 전자는 접합면을 통해 반대쪽으로 이동하여 전류가 흐른다. • 역방향 전압: p형 반도체에 전지의 (-)극을, n형 반도체에 전지의 (+)극을 연결하면 양공은(-)극으로 끌리고, 전자는 (+)극으로 끌려 접합 부분에 전기를 운반하는 것이 남아 있지 않게 되어 전류가 흐르지 않는다.

  15. 반도체의 이용 Ⅳ-2. 반도체와 신소재 • 다이오드 • 정류 작용: 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 작용 • 주기적으로 전류의 방향이 변하는 교류를 한쪽 방향으로만 흐르는 직류로 변환시킬 때 이용 • 다이오드의 이용 • 어댑터 :다이오드가 들어 있어 가정에 들어오는 교류를 전자 제품의 작동에 알맞은 직류로 바꿈 • 발광 다이오드(LED) :시계, 전자 장치 등의 디지털 화면 • 유기 발광 다이오드(OLED)는 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 자체 발광형소자, 차세대 디스플레이

  16. 반도체의 이용 Ⅳ-2. 반도체와 신소재 • 중폭 작용: 트랜지스터는 신호의 파형은 그대로 유지하면서 약한 신호를 큰 신호로 바꾸는 작용 -라디오에 사용 • 이미터emiter: 정공을 베이스 쪽으로 방출하는 역할 • 베이스 base : 이미터로 부터 정공을 받아들임 • 콜렉터collector : 베이스로부터 오는 정공을 흡수

  17. 반도체의 이용 Ⅳ-2. 반도체와 신소재 • 트랜지스터: 두 개의 p-n 접합을 샌드위치 모양으로 배열하여 p-n-p 또는 n-p-n 순으로 결합된 소자 • 스위치 작용: ◈p-n-p형 트랜지스터의 왼쪽 p형에 전류가 들어오고, n형에 높은 (+)전압이 걸리면 왼쪽의 p-n접합에 역방향 전압이 걸리게 되어 전류가 통과하지 못함. ◈반대로 n형에 걸리는 전압이 0이면 왼쪽의 p-n 접합에 방향 전압이 걸리게 되어 전류가 흐름. ◈ 트랜지스터는 전류를 흐르게 하거나 흐르지 못하게 하는 스위치 작용을 하며, 이것은 컴퓨터의 주기억장치에서 정보를 저장할 때 쓰임 - 이진법 Ic

  18. 반도체의 이용 콜로서스, 에니악, 진공관, 트랜지스터, 제5세대컴퓨터…… Ⅳ-2. 반도체와 신소재 • 집적 회로 (IC, Integrated Circuit) • 작은 실리콘 칩 위에 무수히 많은 다이오드, 트랜지스터, 저항, 축전기 등의 소자를 연결해 놓은 회로 • 소형이면서 정보 처리 속도가 빠름, 고속 컴퓨터 제작 • 고밀도집적회로(LSI, Large Scale Integration) : 300~10,000 개 • 초고밀도집적회로(VLSI, Very Large Scale Integration) : 1만개 • 극초고밀도집적회로(ULSI, Ultra Large Scale Integration)]: • 10억 개

  19. 3. 그림은 도체, 반도체, 부도체를 에너지 띠 구조를 이용해서 나타낸 것이다. 설명이 바른 것을 모두 고르시오. ㄱ. 그림가는 유전성이 좋다. ㄴ. 그림나는 부도체를 나타낸 것이다.. ㄷ. 그림다와 같은 성질을 가지는 물체는 실리콘이 대표적이다.. ㄹ. A는 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 띠이다. ㅁ. 구리는 철보다 C영역이 넓다.

  20. VI-3. 에너지 문제와 미래의 에너지 확인 문제 • 흐리거나 비 오는 날을 대비하여 태양광 자동차를 개선할 수 있는 방법을 써 보자. • 태양 전지의 사용과 화석 연료의 사용을 비교해 보자. • 하이브리드 자동차의 작동 원리를 설명해 보자. • 연료 전지를 개발하여 사용해야 하는 까닭을 써 보자.

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