반도체 소자
『메카트로닉스와 계측시스템』 4판 3장(반도체 전자)과 절별정리 PDF를 바탕으로 만든 초안이다. 필기로 교체·검수 예정.
학습목표
- 다이오드 회로를 상태 가정 → 풀이 → 검증 순서로 풀 수 있다
- 마이크로컨트롤러 출력으로 부하를 켜는 BJT 스위치의 베이스 저항을 설계할 수 있다
- BJT 와 MOSFET 스위치를 구동 방식과 손실로 비교할 수 있다
- 유도성 부하에 플라이백 다이오드가 필요한 이유를 설명할 수 있다
3.1 소개
반도체 소자는 다이오드·트랜지스터·IC 다. 메카트로닉스에서 쓰임은 넷이다.
| 용도 | 예 |
|---|---|
| 정류 | 교류 → 직류 (전원 장치) |
| 전압 조정 | 일정한 전원 공급 (제너, 레귤레이터) |
| 스위치 | 작은 제어 신호로 큰 부하(모터·솔레노이드·LED) 구동 |
| 증폭 | 작은 신호를 키움 |
이 장은 내부 물리보다 **단자 특성(전압-전류 관계)**과 회로 해석에 집중한다. 반도체는 "전기로 조절되는 밸브"로 보면 된다.
3.2 전자부품을 이해하기 위한 반도체 물리의 기본
도체·부도체·반도체는 가전자대와 전도대 사이 에너지 간격으로 구분된다. 순수 실리콘(4가)은 상온에서 전도성이 낮고, 도핑으로 조절한다.
| 종류 | 첨가 | 캐리어 |
|---|---|---|
| n형 | 5가 원소 (인 등) | 여분의 전자 |
| p형 | 3가 원소 (붕소 등) | 정공 |
p형과 n형을 붙인 pn 접합에는 경계에 캐리어가 없는 공핍층이 생겨 한 방향으로만 전류가 잘 흐른다. pn 접합 하나가 다이오드, 둘이 바이폴라 트랜지스터다.
3.3 정션 다이오드
순방향(애노드 → 캐소드)이면 도통, 역방향이면 차단.
$$I = I_0\left(e^{qV/kT} - 1\right)$$
| 모델 | 순방향 | 쓰는 곳 |
|---|---|---|
| 이상 | 단락 (0 V) | 개략 해석 |
| 근사 | 0.7 V 강하 | 대부분의 손계산 |
| 실제 | 지수 특성 | 정밀 해석 |
해석법
다이오드 회로는 상태 가정 → 풀이 → 검증으로 푼다.
- 각 다이오드를 on(0.7 V 전원) 또는 off(개방)로 가정
- 회로를 푼다
- on 이라 했으면 전류가 순방향인지, off 라 했으면 걸린 전압이 0.7 V 미만인지 확인. 틀리면 가정을 바꿔 다시
종류와 응용
- 제너 다이오드: 역방향 항복전압 $V_Z$ 에서 전압이 거의 일정 → 전압 조정기. 출력 변동 $\Delta V_{out} = \dfrac{R_d}{R_d + R}\Delta V_{in}$ ($R_d$: 제너 동저항)
- LED: 전류 → 빛. 순방향 강하가 색마다 다름(빨강 약 1.8 V, 파랑 약 3 V)
- 광다이오드: 빛 → 전류
- 반파·전파 정류, 피크 검출
"모터는 트랜지스터로 끄면 그냥 꺼진다"
모터·릴레이·솔레노이드 코일은 인덕터다. 전류를 갑자기 끊으면 $V = L\,di/dt$ 로 큰 역전압 스파이크가 생겨 스위치 트랜지스터를 파괴한다. 코일 양단에 역방향으로 플라이백 다이오드를 달면, 끄는 순간 코일 전류가 다이오드로 돌아 흐르며 천천히 사라진다. 메카 실습 회로에서 가장 자주 빠뜨리는 부품이다.
3.4 바이폴라 정션 트랜지스터
3단자: 베이스(B)·컬렉터(C)·이미터(E). 작은 베이스 전류가 큰 컬렉터 전류를 제어한다.
$$V_{BE} \approx 0.7\ \text{V},\qquad I_C = \beta I_B\ (\text{활성}),\qquad I_E = I_B + I_C$$
| 영역 | 상태 | 용도 |
|---|---|---|
| 차단 | off, $I_C \approx 0$ | 스위치 off |
| 활성 | $I_C = \beta I_B$ | 증폭 |
| 포화 | 완전 on, $V_{CE} \approx 0.2$ V | 스위치 on |
메카트로닉스에서 BJT 는 주로 디지털 신호로 부하를 켜는 스위치다. 스위치로 쓰려면 포화시켜야 한다: $I_B > I_C/\beta$.
5 V 마이크로컨트롤러 핀으로 12 V, 100 mA 릴레이 코일을 켠다. $\beta = 100$ (최소값)
| 필요한 최소 $I_B$ | $100\ \text{mA}/100 = 1$ mA |
| 여유 2배 → 목표 $I_B$ | 2 mA |
| 베이스 저항 | $(5 - 0.7)/0.002 = 2.15$ kΩ → 2.2 kΩ (1.95 mA) |
| 트랜지스터 손실 | $0.2\ \text{V} \times 0.1\ \text{A} = 20$ mW |
$\beta$ 는 부품마다 크게 흩어지므로 최소값으로 설계하고 2~5배 여유를 준다. 활성 영역에 걸치면 $V_{CE}$ 가 커져 트랜지스터가 뜨거워진다. 코일 양단에 플라이백 다이오드는 필수.
- 달링턴 쌍: 이득 $\beta_1\beta_2$ — 큰 부하를 아주 작은 전류로 구동
- 광트랜지스터·광아이솔레이터: 빛으로 신호를 넘겨 제어 회로와 전력 회로를 전기적으로 절연
3.5 전계효과 트랜지스터
3단자: 게이트(G)·드레인(D)·소스(S). 게이트 전압으로 채널을 제어하고 게이트 전류는 거의 0이다. BJT 가 전류 구동이라면 MOSFET 은 전압 구동이다.
| 조건 | 영역 |
|---|---|
| $V_{GS} < V_T$ | 차단 |
| $V_{DS} < V_{GS} - V_T$ | 저항(ohmic) — 스위치 on, 작은 $R_{on}$ |
| 그 이상 | 포화 — 증폭 |
파워 MOSFET 은 모터·솔레노이드 스위치로, n·p 쌍은 CMOS 인버터로 쓴다(디지털 논리 회로). 정전기(ESD)에 약하므로 취급 주의.
| BJT | MOSFET | |
|---|---|---|
| 구동 | 베이스 전류 | 게이트 전압 |
| on 손실 | $V_{CE(sat)} \times I$ (약 0.2 V × I) | $I^2 R_{on}$ ($R_{on}$ 수 mΩ~수 Ω) |
| 큰 부하 | 달링턴 필요 | 유리 |
5 V 마이크로컨트롤러로 아무 MOSFET 이나 켤 수 있나?
아니다. 일반 파워 MOSFET 은 $V_{GS} = 10$ V 에서 $R_{on}$ 이 규격화되어 있고, 5 V 로는 반쯤만 켜져서 저항이 커지고 뜨거워진다. 마이크로컨트롤러로 직접 구동하려면 데이터시트에 $V_{GS} = 4.5$ V (또는 2.5 V) 조건의 $R_{on}$ 이 있는 로직 레벨 MOSFET 을 고른다. 모터 구동 H-브리지는 구동기와 모터.