PART5 반도체 (Semiconductor)

실험 1 : 다이오드 특성 (Diode Characteristic)

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PART5반도체 (Semiconductor)

목적

  • 1.게르마늄(Germanium)과 실리콘(Silicon) 다이오드의 특성에 대하여 알아본다.
  • 2.제너 다이오드의 특성에 대하여 관찰하고 또한 제너 다이오드를 전압 안정기로 응용하는 방법을 학습한다.
  • 3.SCR의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
  • 4.PNP 트랜지스터와 NPN트랜지스터의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
  • 5.J-FET와 MOS-FET의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
그림 5-1AReS-EO-M05 Semiconductor-1 Module

실험 1 :다이오드 특성 (Diode Characteristic)

이론

fig5-2

그림 5-2순방향과 역방향 전압이 인가된 접합 다이오드

반도체 다이오드는 한쪽 방향으로는 전류를 잘 통과시키지만 반대 방향으로는 거의 전류를 통과시키지 않는다. 이것은 순방향 저항은 낮은 반면에 역방향 저항은 매우 높기 때문이다. 모든 반도체 다이오드는 대체적으로 단방향적 특성을 가지고 있다.

순방향 전류

그림 5-2 (a)와 같이 전원을 pn접합 다이오드의 p형쪽에 +극을 n형쪽에 대하여 -극을 연결할 때 순방향전압(forward voltage) 또는 순방향 바이어스(bias)가 걸려있다고 말한다. 이 때 다이오드를 통하여 큰 전류 즉, 순방향 전류(forward current)가 흐른다. 이는 p영역의 hole이 n영역으로, n영역의 전자가 p영역으로 활발히 흐름으로 인해 p영역에서 n영역으로 큰 전류(I)가 흐르게 된다.

역방향 전류

그림 5-2 (b)와 같이 pn접합 다이오드에 외부전압이 n형 쪽에 +, p형 쪽에 -가 되도록 가해질 때 역방향전압(reverse voltage) 또는 역방향 바이어스(bias)가 걸렸다고 말한다. 이때 다이오드를 통해 극히 미약한 전류 즉, 역포화전류(reverse saturation current)가 n영역에서 p영역으로 흐른다. 이 전류는 낮은 역방향전압에서 쉽게 최대치에 도달하며 역방향 전압을 높여도 그 이상 더 커지지 않으므로 역포화전류(IS)라고 부른다.

다이오드의 전류식

그림 5-3상용접합다이오드의 순방향 v-i 특성

이상적인 다이오드에 흐르는 전류는 다음과 같이 표시된다.

I=I_s (e^(〖V/nV〗_T )-1)

위식에서 VT=T/11,600(상온에서 26mV), T는 절대온도, IS는 역포화전류이고 n는 Ge에 대해서는 1, Si에 대해서는 2의 값을 가지는 정수이다. 위 식에서 보면 V=0이면 I=0이 되고 V > 0.1V인 경우 에 I≅Is ε40V의해 I는 지수적으로 증가하고 V < -0.1V인 경우 I≅Is로 포화상태가 된다. 그림 5-3는 접합 다이오드의 v-i특성을 나타내며, 그림 5-3(b)는 Germanium 다이오드와 Silicon 다이오드의 v-i특성을 나타낸 것이다. 이 그림 5-3(b)에서 Si 다이오드는 약 0.7V, Ge 다이오드에서는 약 0.2V 이상에서 전류가 급격히 증가함을 볼 수 있다. 이 전압을 다이오드의 cutin 전압 또는 문턱전압(threshold voltage)이라고 한다.

실험 과정

1. 다이오드의 순방향전류와 역방향 전류의 특성을 실험하기 위해 M-05의 회로-1을 사용한다.

2. Ge 다이오드의 순방향전류를 측정하기 위해 1d-1c 단자에 전류계를 연결하고, 1c-1e, 1f-1b양단을 단락시켜 그림 5-4 (a)와 같은 회로를 구성한다. 입력전압을 표 5-1과 같이 변화시키며 순방향전류를 측정하여 기록한다.

fig5-4

그림 5-4Diode Characteristic

3. Ge 다이오드의 역방향 전류를 측정하기 위해 역시 1e-1f단자에 전류계를 연결하고 1f-1d, 1e-1b를 단락시켜 그림 5-4(b)와 같이 회로를 구성한다. 입력전압을 표 5-1과 같이 변화시키며 역방향 전류를 측정하여 기록한다.

tab1

실험 5-1.1 Ge 다이오드 직류특성 측정 (M-05의 Circuit-1에서 그림 5-3와 같이 회로를 구성한다.)

R1= 1kΩ일 때

1.1. 결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1f와 1h간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선

M04 보드의 Signal Output의 A+ 단자와 Circuit-1의 Sig Input & DC Input 단자 1a(+) 간을 적색선으로 연결하고, A- 단자와 1b(-) 간을 흑색선으로 연결한다.

3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류 (IF) 측정 : Circuit-1의 단자 1c에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1e에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D1(Ge)의 단자 Ie와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1f와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. <R1= 1kΩ일 때 순방향 특성>
    1 Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 variable power를 선택하고, DC Source 탭을 선택한 후 Range 에서10v 가 선택되었는지 확인한다.

    DCSource

  2. 2Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서dmm를 선택하고dcv를 클릭한다..
  3. 3Touch LCD 패널 하단의 quick launch를 선택하고 Analog Output를 클릭한 다음 Function의arrow right를 클릭하여 DC Source 화면이 나오도록 한다.

    on 을 선택하고 00.0V의 우측에 arrow right을 클릭하여 입력전압을 표 5-1와 같이 변화시키면서 별도 Digital Multimeter에서 지시되는 순방향 전류값 (IF) 과 DMM에서 지시되는 다이오드 양단의 전압값 (VD) 을 표 5-1에 기록한다.

    AnalogOutput

    ol5_1_1_1~AnalogOutputFunction AnalogOutputDCSource

    Measured Value at 0.1V

    0.1V에서의 측정값
  4. 4측정이 끝나면 on red을 클릭하여 출력을 차단한 다음arrow left 으로 00.0V로 설정한다.
  5. <R1= 1kΩ일 때 역방향 특성>
    5 on을 클릭한 다음 좌측의 arrow left 클릭하여 입력전압을 표 5-1와 같이 변화시키면서 별도 Digital Multimeter에서 지시되는 역방향 전류값(IF)과 DMM에서 지시되는 다이오드 양단의 역방향 전압값(VD) 을 표 5-1에 기록한다.
  6. 6측정이 끝나면on red을 클릭하여 출력을 차단한다.

R2=300Ω일 때

1.결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1f와 1h간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선은 R1=1kΩ 일 때 >1. 결선 방법과 같다.
3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류(IF)측정 : Circuit-1의 단자 1i에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1e에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D1(Ge)의 단자 Ie와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1f와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 1R1=1kΩ 일 때>1. 측정 방법과 동일하며 순방향 특성 및 역방향 특성 측정값은 표 5-1에 기록한다.
  2. 2측정이 끝나면 on red을 클릭하여 출력을 차단한다.
4.계산

1. Ge 다이오드 순방향 특성 측정시 입력전압이 2V인 경우 R1(1kΩ) 일 때와 R2(300Ω) 일 때 각각 흐르는 전류를 계산하고, Ge 다이오드에 흐르는 IF전류 와 비교하시오.

실험 과정

1. Si 다이오드의 순방향전류를 측정하기위해 1g-1f 단자에 전류계를 연결하고, 1k-1l, 1n-1m' 양단을 단락시켜 그림 5-4 (a)와 같은 회로를 구성한다. 입력전압을 표 5-1과 같이 변화시키며 순방향전류(IF)를 측정하여 기록한다.

2. Si 다이오드의 역방향 전류를 측정하기 위해 역시 1e-1f단자에 전류계를 연결하고 1k'-1n, 1l-1m를 단락시켜 그림 5-4 (b)와 같이 회로를 구성한다. 입력전압을 표 5-1과 같이 변화시키며 역방향 전류(IR)를 측정하여 기록한다.

tab2

실험 5-1.2 Si 다이오드 직류 특성 측정 (M-05의 Circuit-1에서 그림 5-3와 같이 회로를 구성한다.)

R1= 1kΩ일 때

1.결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1l와 1n 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선은 실험 5-1.1 Ge 다이오드 직류특성 측정>전원 결선과 같다.
3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류(IF)측정 : Circuit-1의 단자 1d에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1k에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D2(Si)의 단자 Ik와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1l과 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 15-1.1 Ge 다이오드 직류특성 측정>측정방법과 동일하게 측정하여 표 5-1에 기록한다.
  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.

R2=300Ω일 때

1.결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1l와 1n 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선은 실험 5-1.1 Ge 다이오드 직류특성 측정>전원 결선과 같다.
3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류 (IF) 측정 : Circuit-1의 단자 1i에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1k에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D2(Si)의 단자 Ik와 전면패널 Multimeter High 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1l과 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 15-1.1 Ge 다이오드 직류특성 측정>측정방법과 동일하게 측정하여 표 5-1에 기록한다.
  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.
4.계산

1. Si 다이오드 순방향 특성 측정시 입력전압이 10V인 경우 R1(1kΩ) 일 때와 R2(300Ω) 일 때 각각 흐르는 전류를 계산하고, Si 다이오드에 흐르는 전류 IF 와 비교하시오.

실험 과정

1. 다이오드의 AC 특성을 실험하기 위해 표 5-2와 같이 입력 전압을 변화시키며 순 방향 전류 및 역방향 전류를 측정하여 기록한다. (단, 본 항은 가변이 가능한 AC 전압원이 있을 경우만 실험이 가능하다. 또한, 전류측정은 DC에서와 같이 직접적인 측정보다는 R1이나 R2 양단 전압을 측정한 후 계산에 의한 간접적인 방법을 취하도록 한다.)

tab3

실험 5-1.3 Ge 다이오드 교류특성 측정 (M-05의 Circuit-1에서 그림 5-4와 같이 회로를 구성한다.)

R1= 1kΩ일 때

1.결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1f와 1h간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선

M05 보드의 Variavle Power의 V1 단자와 Circuit-1의 Sig Input & DC Input 단자 1a(+) 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 1b(-) 간을 흑색선으로 연결한다.

3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류 (IF) 측정 : Circuit-1의 단자 1c에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1e에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

R1 양단 전압인 VR1 측정 : 저항 R1의 단자 Ia와 전면패널 Signal Input에 CH A의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1d와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D1(Ge)의 단자 Ie와 전면패널 Signal Input에 CH B의 B+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1f와 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 analog input 를 선택하고 Volt & Ampere Meter를 클릭한 후 CH A, CH B 각각 voltage, ac,rms 를 클릭한다.

    VoltAndAmpereMeter

  2. 2Touch LCD 패널 하단의 quick launch 를 선택하고 Variable Power를 클릭한 다음 3 CH DC 우측의arrow right 를 클릭하여 3 Phase AC 화면이 나오도록 한다.

    on 을 선택하고 00.0V의 우측에 arrow right 을 클릭하여 입력전압을 표 5-2와 같이 변화시키면서 별도 Digital Multimeter에서 지시되는 전류값 (IF) 과 Signal Input에서 지시되는 저항 R1 양단에 전압값(VR1)과, 다이오드 양단의 전압값 (VD) 을 표 5-2에 기록한다.

    AnalogOutput DCSource

    Measured Value at AC 1V

    AC 1V에서의 측정값
  3. 3측정이 끝나면 on red을 클릭하여 출력을 차단한 다음 arrow left으로 00.0V로 설정한다.

R2=300Ω일 때

1.결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1f와 1h 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선은 실험 5-1.3 Ge 다이오드 교류특성 측정>전원 결선과 같다.
3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류 (IF) 측정 : Circuit-1의 단자 1i에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1e에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

R2 양단 전압인 VR2 측정 : 저항 R2의 단자 Ia와 전면패널 Signal Input에 CH A의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1k와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D1(Ge)의 단자 Ie와 전면패널 Signal Input에 CH B의 B+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1f와 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.Measurement
  1. 1실험 5-1.3 Ge 다이오드 교류특성 측정>측정 방법과 동일하며 측정값은 표 5-2에 기록한다.

    이때 측정되는 값은 저항 R2 양단에 전압값(VR2)과, 다이오드 양단의 전압값(VD) 이다.

  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.
tab4

실험 5-1.4 Si 다이오드 교류 특성 측정 (M-05의 Circuit-1에서 그림 5-4와 같이 회로를 구성한다.)

R1= 1kΩ일 때

1.결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1k와 1m 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선은 실험 5-1.3 Ge 다이오드 교류특성 측정>전원 결선과 같다.
3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류 (IF) 측정 : Circuit-1의 단자 1d에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1k에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

R1 양단 전압인 VR1 측정 : 저항 R1의 단자 Ia와 전면패널 Signal Input에 CH A의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1k와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D2(Si)의 단자 Ik와 전면패널 Signal Input에 CH B의 B+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1l과 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 15-1.3 Ge 다이오드 교류특성 측정>측정방법과 동일하게 측정하여 표 5-2에 기록한다.

    이때 측정되는 값은 저항 R1 양단에 전압값(VR1)과, 다이오드 양단의 전압값(VD)이다.

  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.

R2=300Ω일 때

1.결선방법(M-05의 Circuit-1)
1.회로 결선

Circuit-1의 단자 1l와 1n 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선은 실험 5-1.3 Ge 다이오드 교류특성 측정>전원 결선과 같다.
3.계측기 결선

전류계 결선

별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.

Diode에 흐르는 전류 (IF) 측정 : Circuit-1의 단자 1i에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, 단자 1e에 흑색선을 연결한다.

전압계 결선

R2 양단 전압인 VR2 측정 : 저항 R2의 단자 Ia와 전면패널 Signal Input에 CH A의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1k와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

Diode 양단 전압 (VD) 측정 : 다이오드 D2(Si)의 단자 Ik와 전면패널 Signal Input에 CH B의 B+ 단자 간을 적색선으로 연결하고 단자 1l과 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도
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3.측정 방법
  1. 15-1.3 Ge 다이오드 교류특성 측정>측정방법과 동일하게 측정하여 표 5-2에 기록한다.

    이때 측정되는 값은 저항 R2 양단에 전압값(VR2)과, 다이오드 양단의 전압값 (VD) 이다.

  2. 2측정이 끝나면 on red 을 클릭하여 출력을 차단한다.
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실험 결과 보고서

result
다이오드 특성 (Diode Characteristic)
1. 실험 결과표

표 5-1 < 다이오드 특성 (1kΩ 회로) >

result_table
입력전압 | 전류Ge DiodeSi Diode
순방향[IF](VD)역방향[IR](-VD) 순방향[IF](VD)역방향[IR](-VD)
0.1V
0.2V
0.3V
0.4V
0.5V
0.6V
0.7V
0.8V
0.9V
1.0V-1.0 -1.0
2.0V-2.0 -2.0
3.0V-3.0 -3.0
4.0V-4.0 -4.0
5.0V-5.0 -5.0
6.0V-6.0 -6.0
7.0V-7.0 -7.0
8.0V-8.0 -8.0
9.0V-9.0 -9.0
10.0V-10.0 -10.0

< 다이오드 특성 (300Ω 회로) >

result_table
입력전압 | 전류Ge DiodeSi Diode
순방향[IF](VD)역방향[IR](-VD) 순방향[IF](VD)역방향[IR](-VD)
0.1V
0.2V
0.3V
0.4V
0.5V
0.6V
0.7V
0.8V
0.9V
1.0V-1.0 -1.0
2.0V-2.0 -2.0
3.0V-3.0 -3.0
4.0V-4.0 -4.0
5.0V-5.0 -5.0
6.0V-6.0 -6.0
7.0V-7.0 -7.0
8.0V-8.0 -8.0
9.0V-9.0 -9.0
10.0V-10.0 -10.0

표 5-2

result_table
입력전압 | 전류Ge DiodeSi Diode
1kΩ300Ω 1kΩ300Ω
[IF]VR1VD[IF]VR2VD [IF]VR1VD[IF]VR2VD
1V
2V
3V
4V
5V
6V
7V
8V
2. 검토 및 정리
1) Ge 다이오드 순방향 특성 측정시 입력전압이 2V인 경우 R1(1kΩ) 일 때와 R2(300Ω) 일 때 각각 흐르는 전류를 계산하고, Ge 다이오드에 흐르는 전류 IF 와 비교하시오.
2)Si 다이오드 순방향 특성 측정시 입력전압이 10V인 경우 R1(1kΩ) 일 때와 R2(300Ω) 일 때 각각 흐르는 전류를 계산하고, Si 다이오드에 흐르는 전류 IF 와 비교하시오.
3) 벌크 저항이란 무엇이며 위 실험에서 벌크 저항을 구하여라.
4) 표 5-1의 측정값을 이용하여 다이오드의 순방향 특성 곡선을 그린다.

(순방향 : Ge – 청색, Si – 적색)

section paper

(역방향 : Ge – 청색, Si – 적색)

section paper

5) 표 5-2는 교류를 입력으로 했을 때 측정된 것이다. 위 그림에 특성곡선을 그려보고 직류특성과 교류특성을 비교하시오.
6) 작성된 특성곡선을 이론에서 제시한 특성곡선과 비교하시오.
3. 실험 결과에 대해 토의한다.