물리학 고2 빛과 물질

다이오드와 트랜지스터

p-n 접합 다이오드의 정류 작용과 트랜지스터의 증폭·스위치 기능을 회로 원리로 설명한다. (12물리03-05)

다이오드는 p-n 접합 하나로 전류를 한 방향으로만 흘려 교류를 직류로 바꾸고(정류), 트랜지스터는 접합 두 개를 겹쳐 작은 신호가 큰 전류를 조절하게 만들어 증폭과 스위치 기능을 합니다.

다이오드는 한 방향 밸브, 트랜지스터는 수도꼭지입니다. 손가락에 준 작은 힘(베이스 전류)으로 굵은 수도관의 물살(컬렉터 전류)을 조절하는 것이 증폭이고, 물을 완전히 잠그거나 여는 것이 스위치입니다.

쉽게 말하면

p-n 접합 하나에 단자를 붙인 것이 다이오드입니다. 순방향에서는 공핍층이 얇아져 전류가 흐르고 역방향에서는 두꺼워져 흐르지 않으므로, 방향이 계속 바뀌는 교류를 걸면 한쪽 반주기에만 전류가 통과합니다. 이렇게 교류를 한 방향 전류로 바꾸는 것이 정류이고, 콘센트의 교류로 스마트폰 배터리를 충전할 수 있는 이유가 이것입니다.

트랜지스터는 반도체를 $n$ - $p$ - $n$ 또는 $p$ - $n$ - $p$ 세 층으로 겹쳐 p-n 접합 두 개를 만든 소자입니다. 세 단자를 각각 이미터, 베이스, 컬렉터라고 부르는데, 가운데 베이스는 아주 얇고 도핑도 옅게 만듭니다.

이미터-베이스 접합은 순방향으로, 베이스-컬렉터 접합은 역방향으로 걸어 줍니다. 그러면 이미터에서 베이스로 운반자가 왈칵 밀려 들어오는데, 베이스가 워낙 얇아 대부분은 거기서 재결합하지 못하고 그대로 지나쳐 컬렉터 쪽 전기장에 빨려 들어갑니다. 결과적으로 아주 작은 베이스 전류가 훨씬 큰 컬렉터 전류를 좌우하게 됩니다. 베이스 신호를 조금 흔들면 컬렉터 전류가 크게 흔들리는 것이 증폭이고, 베이스 전류를 끊었다 이었다 하면 컬렉터 전류가 꺼졌다 켜졌다 하는 것이 스위치입니다.

이 스위치 기능이 $0$ 과 $1$ 을 만듭니다. 움직이는 부품이 하나도 없어서 아주 빠르고 아주 작게 만들 수 있고, 손톱만 한 칩 하나에 수십억 개를 집어넣을 수 있습니다. 오늘날의 컴퓨터는 결국 p-n 접합의 성질을 엄청나게 쌓아 올린 물건입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

반파 정류

교류 전원에 다이오드 하나를 직렬로 답니다. 순방향이 되는 반주기에만 전류가 흐르고 반대 반주기는 잘려 나갑니다. 방향은 한쪽으로 정리되었지만 크기는 여전히 출렁이는 '맥류'입니다. 여기에 콘덴서를 병렬로 달면 골짜기를 메워 거의 일정한 직류에 가까워집니다.
예시 2

전파 정류

다이오드 네 개를 다리 모양으로 배치하면, 교류의 두 반주기 모두에서 전류가 부하를 같은 방향으로 지나갑니다. 반주기를 버리지 않으므로 효율이 좋고 출렁임도 작아집니다. 어댑터 안에서 실제로 쓰이는 방식입니다.
예시 3

트랜지스터 스위치

베이스에 작은 전압을 넣으면 컬렉터에 큰 전류가 흐르고, 빼면 끊깁니다. 기계식 스위치와 달리 접점이 움직이지 않으므로 1초에 수십억 번도 켜고 끌 수 있습니다. 이 켜짐/꺼짐이 논리 회로의 $1$ 과 $0$ 이 되고, 그것을 쌓아 올린 것이 집적 회로입니다.

순서대로 하면

트랜지스터가 증폭하는 과정을 따라가는 순서

1이미터-베이스 접합에 순방향 전압을 겁니다. 이미터에서 베이스로 운반자가 대량으로 밀려 들어옵니다.
2베이스-컬렉터 접합에는 역방향 전압을 겁니다. 이 접합의 강한 전기장이 베이스에 들어온 운반자를 컬렉터 쪽으로 빨아들입니다.
3베이스가 얇고 도핑이 옅으므로, 들어온 운반자 중 극히 일부만 베이스에서 재결합하고 대부분은 컬렉터로 건너갑니다.
4따라서 작은 베이스 전류의 변화가 큰 컬렉터 전류의 변화를 만듭니다. 커진 출력의 에너지는 전원에서 나온 것이지, 트랜지스터가 만들어 낸 것이 아닙니다.

자주 하는 오해

트랜지스터가 에너지를 만들어 신호를 키운다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움작은 신호를 트랜지스터에 넣으면 저절로 큰 신호가 되어 나온다

실제로는큰 출력의 에너지는 전부 전원에서 옵니다. 트랜지스터는 그 큰 전류를 '조절'할 뿐입니다.

수도꼭지는 물을 만들지 않습니다. 물은 수도관이 공급하고, 손잡이는 그 흐름을 여닫을 뿐입니다. 증폭도 마찬가지여서 전원을 끊으면 아무리 좋은 신호를 넣어도 출력은

0

입니다. 에너지 보존을 어기지 않고도 '작은 것으로 큰 것을 조종한다'는 점이 트랜지스터의 진짜 힘입니다.

정류하면 곧바로 일정한 직류가 된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움다이오드를 통과한 전류는 건전지 전류처럼 일정한 직류다

실제로는방향만 한쪽으로 정리된 '맥류'입니다. 크기는 여전히 출렁입니다.

다이오드가 하는 일은 방향을 거르는 것뿐이고, 크기를 평평하게 만드는 기능은 없습니다. 반파 정류의 출력을 그래프로 그리면 봉우리가 띄엄띄엄 솟은 모양입니다. 여기에 콘덴서를 붙여 봉우리 사이 골짜기를 채우는 평활 과정을 거쳐야 비로소 거의 일정한 직류가 됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

에너지띠와 반도체고2 p-n 접합고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 빛과 물질

자주 묻는 질문

Q1다이오드는 왜 한 방향으로만 전류를 흘리나요?

순방향에서는 운반자가 접합 쪽으로 밀려 들어와 공핍층이 얇아지고, 역방향에서는 운반자가 접합에서 멀어져 공핍층이 두꺼워지기 때문입니다. 이 비대칭이 p-n 접합의 본성이고, 다이오드는 그 성질에 다리 두 개를 붙인 것뿐입니다.

Q2트랜지스터의 베이스는 왜 얇아야 하나요?

이미터에서 들어온 운반자가 베이스에서 재결합해 사라지지 않고 컬렉터까지 건너가야 증폭이 됩니다. 베이스가 두꺼우면 도중에 대부분 재결합해 버려, 베이스 전류만 커지고 컬렉터 전류는 늘지 않습니다. 얇고 옅게 만드는 것이 트랜지스터 제작의 핵심입니다.

Q3증폭과 스위치는 다른 기능인가요?

같은 성질을 다르게 쓰는 것입니다. 베이스 신호가 중간 영역에서 매끄럽게 변하도록 쓰면 증폭기가 되고, 완전히 꺼짐과 완전히 켜짐 두 극단만 오가도록 쓰면 스위치가 됩니다. 오디오 앰프와 컴퓨터 칩이 같은 부품으로 만들어지는 이유입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 빛과 물질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

같은 p-n 접합이 전류 대신 빛을 내놓는 쪽으로 가면 발광 다이오드 (LED)가 됩니다 — 반도체 이야기의 마지막 조각입니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

다이오드와 트랜지스터 지도에서 확인하기 →