4. 특수 반도체

(1) 사이리스터

① 구조 : pnpn의 4층 구조로서 3개의 pn접합과 애노드(anode), 캐소드(cathode), 게이트(gate) 등의 3개의 전극으로 구성된다. 이 소자를 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifier, SCR)이라 한다.

② 동작 : 애노드 A에 양(+)전위, 캐소드K에 음전위를 주면 중앙의 pn 접합부는 역바이어스되므로 그림(a)와 같이 공핍층이 생겨 전류가 흐르지 않으므로 차단(OFF)상태로 된다. 전원 E_A의 극성을 변화시켜도 다른 2개의 pn 접합부에 공핍층이 생겨 역시 차단 상태가 된다. 그림(a)에서 캐소드 전극에 가까운 게이트에 작은 게이트 전류 I_G를 흘려 주면 반송자인 정공이 넓게 퍼져 게이트-캐소드 사이의 공핍층 두께가 그림(b)와 같이 얇아진다. I_G를 증가시키거나 캐소드-애노드간 전압 V_AK를 증가시키면 그림(c)와 같이 공핍층은 소멸되어 통전 상태로 되어 전류 I가 흐른다.
③ 용도 : 조광 자치, 모터 제어, 전차의 전력 제어

(2) 단접합 트랜지스터(UJT : unijunction transistor)

① 구조 : 저항률이 높은 막대 모양의 반도체 중앙에 반송자를 주입할 수 있도록 전극을 부착시켜, 1개의 접합부를 생성한 것. n형 반도체를 베이스로 하고 제1베이스 B₁, 제2베이스B₂, 이미터E의 3개 전극으로 구성

② 동작 : 이미터에서 주입된 정공에 의해 B₁, B₂ 사이의 도전율을 변화시켜 부성 저항이 생기게 한 것이다.
③ 용도 : 발전기

(3) 여러 가지 다이오드

[1] 터널 다이오드(tunnel diode)

① 구조 : 불순물 농도를 10²⁵∼10²⁶[개/m²]정도로 하여 pn 접합을 한 다이오드
② 동작 : 순방향 전압이 낮을 때 공간 전하 영역의폭은 매우 좁아지고, n형 영역 중의 전자는 이 장벽의 반대족 p형 영역에 나타난다. 이는 흡수 전자가 장벽을 뚫고 지나는 듯한 작용 즉, 터널 효과(tunnel effect)를 갖는다. 전류-전압 특성은 어느 순방향 전압 범위 내에서 터널 효과에 의한 전류 흐르므로 부성 저항 특성을 갖는다.

③ 용도 : 초고주파의 발진 회로나 고속 스위칭 회로

[2] 정전압 다이오드(voltage regulation diode) = 제너 다이오드(Zener diode)

① 구조 : pn 접합형 규소 다이오드에 적정한 역바이어스를 걸어서 사용하는 구조의 다이오드

② 동작 : 전압이 낮은 경우에는 역방향 전류는 거의 흐르지 않고 어떤 전압 VZ에서 갑자기 흐르는데, 이 현상은 터널 효과와 전자 사태에 의한 것이다. 이 현상은 pn 접합부가 줄열 등으로 파괴되지 않는 범위(한계)내에서 사용하면 원래대로 계속해서 다이오드로 사용할 수 있다.
③ 용도 : 정전압 회로(회로 전압을 일정하게 유지할 때 사용)

[3] 가변 용량 다이오드(variable capacitance diode) = 버랙터(varactor) 다이오드, 바리캡(varicap)

① 구조 : pn 접합부의 공핍층에 반송자가 없게 하여 이 부분을 유전체(절연물)로 작용하도록 만든 것. pn 접합은 미소 정전 용량의 콘덴서를 형성하고 있으며, 이 정전 용량을 장벽 용량이라 한다.

② 동작 : 장벽 용량을 가지는 다이오드에 역바이어스를 걸면 그 전압의 크기에 따라 공핍층의 두께가 변해 정전 용량이 변화한다.
③ 용도 : AFC 회로, FM 회로 및 각종 제어 회로

[4] 배리스터

① 구조 : 전압 변화에 의해 저항이 크게 변화하도록 만든 소자를 말하며, 전압-전류 특성이 비직선적이다.

② 기능 : 비대칭 배리스터와 대칭 배리스터가 있음. SiC 분말을 주성분으로 금속 산화물 등을 혼합 구워 만든 대칭 배리스터가 대표적임.
③ 용도 : 낙뇌 전압 등의 이상 전압 흡수, 전화기의 과전압에 의한 음성의 일그러짐 방지 및 각종 제어 회로에 응용

(4) 열전 소자

[1] 서미스터(thermistor)

① 구조 : 반도체의 온도가 올라가면 반송자 수가 증가하여 도전율이 커지며, 저항이 작아지므로 음의 온도 계수를 갖게 되는데 이 성질을 이용한 소자.

② 재료 : 망간, 니켈, 코발트, 철, 바나듐(Vanadium)등의 산화물이 사용
③ 용도 : 온도계, 온도 스위치, 온도 검출기 및 온도 센서

[2] 열전 효과를 이용한 pn 접합

(가) 열전쌍 효과 : pn 접합 반도체 내의 반송자는 제베크 효과에 의해 온도차에 따른 전하의 흐름이 생겨 열기전력을 발생한다. 온도계, 계측기 등에 응용

(나) 펠티에 효과 : pn 접합부에 전류를 흘리면 2개의 접합부에 발열과 흡열이 일어나는 현상을 펠티에 효과라 한다. 냉각 장치, 전자 냉동에 응용

(5) 광전 소자

[1] 광도전 셀

① 원리 : 반도체에 에너지(1[eV]정도)를 가하면 내부에서 과전 효과에 의해 전자와 정공의 쌍을 발생시킨다. 따라서 반도체에 빛을 쬐면 전자와 정공이 발생하여 도전율을 증가시키는 광도전 효과가 나타난다. 이 광도전 효과를 이용한 반도체 소자를 광도전 셀 이라 한다.
② 재료 : CdS, PbS

[2] 광전지

① pn 접합부에 빛을 찌면 빛 에너지에 의해 여기된 반송자 때문에 평형이 깨져 빛의 양에 따라 증가한 반송자가 확산이나 전기장에 의해 이동되고 빛을 쬐는 한 전하의 흐름이 계속된다. 이상의 현상을 장벽 광전 효과라고 하고, 이것을 이용한 반도체 소자를 광전지라 한다.

② 재료 :
a. Se, CdS 용도 - 전지가 필요없는 카메라의 노출계로 사용
b. Si - 태양전지에 사용, 인공 위성통신, 관측, 제어용의 전원, 유선 및 무선통신의 무인 중계소 전원, 무인 등대 등의 자동 점멸에 사용

[3] 광다이오드와 광트랜지스터

① pn 접합에 바이어스 전압을 걸어서 감도를 더욱 높여 사용하는 장벽 광전 효과 소자에는 광트랜지스터와 광다이오드가 있다.
② 용도 : 빛의 검출, 계측용

[4] 발광 다이오드

① 원리 : pn 접합에서 빛이 투과하도록 p형 층을 매우 얇게 만들고, 순방향 바이어스 전압이 가해지면 n형 반도체 내의 전자가 p형 반도체 안으로 주입되어 소수 반송자로 확산되고 p형 반도체 내의 다수 반송자와 재결합하게 되고 p형 반도체 안의 정공도 n형 반도체 안의 전자와 재결합한다. 이때 소수 반송자가 가지는 에너지는 재결합에 필요한 에너지 보다도 크고, 그 나머지의 에너지는 빛으로 방출하는 전기장 발광(electroluminescence, EL) 현상이 일어난다. 이러한 전기 발광 현상을 이용한 다이오드가 발광 다이오드(light emitting diode, LED)이다.
② 재료 : GaP(가시광 방사 : 디지털 계측기, 탁상 계산기 등의 숫자 표시기에 사용)
③ 광 결합기 : 발광 다이오드와 광 트랜지스터를 조합한 소자.

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