HIGH 2 / UNIT 09

반도체와 다이오드

「전자기와 양자」 에너지 띠와 도핑으로 다이오드의 정류 작용과 LED를 설명합니다.

BIG QUESTION

휴대 전화 충전기는 교류를 어떻게 한 방향으로만 흐르는 전류로 바꿀까요?

CORE IDEAS / 05

반도체와 다이오드: 핵심 개념

고2 수준에 맞춰 이 단원에서 꼭 알아야 할 내용을 정리했어요.

  1. 01

    고체 속 원자들이 가까이 모이면 전자의 에너지 준위가 넓게 퍼져 에너지 띠를 이루고, 원자가 띠와 전도띠 사이에는 전자가 가질 수 없는 띠 간격이 생겨요.

  2. 02

    도체는 전자가 쉽게 움직일 수 있는 띠 구조이고 절연체는 띠 간격이 매우 커요. 반도체는 띠 간격이 작아 온도가 오르면 전도띠로 올라가는 전자가 늘어 전기 전도도가 커져요.

  3. 03

    순수한 규소(14족)에 15족 원소(인 등)를 조금 넣으면 전자가 많은 n형, 13족 원소(붕소 등)를 넣으면 양공이 많은 p형 반도체가 돼요(도핑).

  4. 04

    p-n 접합 다이오드는 p형에 (+)극, n형에 (−)극을 연결한 순방향 전압에서는 전류가 잘 흐르고, 역방향 전압에서는 거의 흐르지 않아요(정류 작용).

  5. 05

    발광 다이오드(LED)에서는 전도띠의 전자가 양공과 결합하며 띠 간격만큼의 에너지를 빛으로 내보내므로, 띠 간격이 클수록 파장이 짧은 빛이 나와요.

풀이 예제

예제 1

띠 간격이 2.0 eV인 반도체로 만든 LED에서 나오는 빛의 파장은 약 얼마일까요? 띠 간격이 2.5 eV인 반도체라면 어떨까요? (광자 에너지 E와 파장 λ 사이의 관계: λ(nm) = 1240 ÷ E(eV))

  1. 1전자와 양공이 결합할 때 띠 간격만큼의 에너지를 가진 광자가 나오므로 E = 2.0 eV예요.
  2. 2λ = 1240 ÷ 2.0 = 620 nm로, 주황빛에 가까운 붉은빛이에요.
  3. 3띠 간격이 2.5 eV이면 λ = 1240 ÷ 2.5 = 496 nm로 파장이 더 짧은 청록빛이 나와요.

답약 620 nm(붉은빛), 띠 간격 2.5 eV이면 약 496 nm로 더 짧아요.

예제 2

3.0 V 전원, 120 Ω 저항, 규소 다이오드를 직렬로 연결했어요. 순방향으로 연결했을 때와 역방향으로 연결했을 때 흐르는 전류는 각각 얼마일까요? (순방향으로 전류가 흐를 때 다이오드 양단 전압은 0.6 V로 일정하다고 가정)

  1. 1순방향: 저항에 걸리는 전압은 3.0 V − 0.6 V = 2.4 V예요.
  2. 2전류 I = 2.4 V ÷ 120 Ω = 0.02 A = 20 mA
  3. 3역방향: p-n 접합의 공핍층이 넓어져 전하 운반자가 건너가지 못하므로 전류가 거의 0이에요.

답순방향 20 mA, 역방향 거의 0

생활 속 예

신호등의 빨간 LED와 초록 LED는 띠 간격이 서로 다른 반도체로 만들어요. 띠 간격이 더 큰 반도체일수록 광자 에너지가 커서 파장이 짧은 빛을 내요.

핵심 용어
띠 간격
원자가 띠의 꼭대기와 전도띠의 바닥 사이의 에너지 차이
양공
원자가 띠에서 전자가 빠져나간 빈자리로, 양전하처럼 움직여요
도핑
순수한 반도체에 다른 원소를 조금 넣어 전기적 성질을 바꾸는 일
정류 작용
전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 작용
더 깊이 보기전기와 자기물리 핵심 단원 ↗
LEVEL / 논증과 탐구

수학적 모형과 불확실성을 고려해 과학적 주장을 논증합니다.

논증하기검증하기한계 평가하기
APPLY IT

반도체와 다이오드, 직접 해 보세요.

배운 개념이 주변에서 실제로 맞는지 관찰하고, 핵심 용어로 설명해 보세요.

  1. STEP 1

    보호 저항을 함께 연결한 LED를 전지에 순방향과 역방향으로 연결해 켜지는지 비교한다.

  2. STEP 2

    다이오드가 연결된 회로에 교류를 걸었을 때 전류 파형이 어떻게 바뀌는지 그림으로 예상한다.

  3. STEP 3

    LED의 색에 따라 띠 간격 에너지가 다른 까닭을 광자 에너지와 연결해 설명한다.

LEARNING GOALS

반도체와 다이오드 학습 목표

이 사이트가 정한 단원별 학습 목표예요. 국가 교육과정의 공식 성취기준이 아니에요.

  1. 01

    도체·반도체·절연체를 에너지 띠 간격으로 구별할 수 있다.

  2. 02

    p-n 접합 다이오드의 정류 작용과 LED가 빛을 내는 원리를 설명할 수 있다.

DATA LAB / TABLE & GRAPH

수치에서 패턴을 찾아보세요.

바꾼 조건: 규소 다이오드에 건 순방향 전압(0.60·0.65·0.70·0.75 V) · 측정한 값: 흐르는 전류(모형 값) (mA)

규소 다이오드에 건 순방향 전압(0.60·0.65·0.70·0.75 V)흐르는 전류(모형 값) (mA)
조건 12
조건 27
조건 326
조건 494
조건 12
조건 27
조건 326
조건 494
증거 평가형

자료를 근거로 내릴 수 있는 가장 타당한 결론은 무엇인가요?

PRACTICE / 05

반도체와 다이오드: 개념을 적용해 보세요.

진행 중
01 / 반도체와 다이오드

순수한 규소에 15족 원소인 인(P)을 조금 넣었을 때 만들어지는 반도체와 주된 전하 운반자는?

02 / 반도체와 다이오드

p-n 접합 다이오드에 전류가 잘 흐르도록 연결한 것은?

03 / 반도체와 다이오드

온도가 올라갈 때 순수한 반도체의 전기 전도도 변화와 그 까닭은?

04 / 반도체와 다이오드

고체의 에너지 띠 구조로 도체·반도체·절연체를 비교한 것으로 옳은 것은?

05 / 반도체와 다이오드

빨간빛을 내는 LED와 파란빛을 내는 LED를 비교한 것으로 옳은 것은?

SCIENTIFIC EXPLANATION

주장–증거–추론으로 설명하세요.

휴대 전화 충전기는 교류를 어떻게 한 방향으로만 흐르는 전류로 바꿀까요?

INTERACTIVE LAB / 더 깊이 보기

관련 핵심 단원에서 조건을 바꾸며 더 깊이 살펴보세요.

‘전기와 자기’ 핵심 단원: 전하의 이동, 전압·전류·저항의 관계와 전류가 만드는 자기장을 연결합니다.

전기와 자기 핵심 단원 열기 ↗