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1. 전자회로 주요 개념 정리
1.1. 공유결합
공유결합이란 두 원자가 전자를 공유하여 공유 전자쌍을 형성하는 것이다. 각 원자에 속해 있던 전자를 공유하는 것이며, 각 원자의 최외각 전자 궤도를 채워 안정된 전자구조를 이루게 된다. 공유 결합의 대표적인 예시는 두 수소 원자가 결합하여 수소 분자가 되는 것이다. 두 수소 원자가 각각 자신에게 속해 있던 전자를 공유하면 안정된 구조를 가지며 분자가 된다. 공유 결합은 화합물 형성의 핵심 메커니즘이며, 다양한 물질들의 안정성을 부여한다.
1.2. 자유전자
도체 물질 모형에서, 아무런 상호작용 없이 자유롭게 움직일 수 있다고 가정한 전자들이 자유전자이다. 금속 원자들이 결합하여 고체를 이룰 때, 각 원자에서 떨어져 나온 원자가전자를 자유전자라고 볼 수 있다. 원자 안의 전자들은 보통은 핵과의 인력에 의해 고정되어 있다. 자유전자는 일정 영역 내에서 움직임이 자유로운 전자이다.
1.3. 반도체의 종류
반도체는 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체로 나뉜다. 메모리 반도체는 정보를 저장하는 용도로 사용되며, 비메모리 반도체는 데이터를 처리하고 연산, 추론하기 위해 사용된다. 메모리 반도체는 시장 변동성에 민감하지만, 비메모리 반도체는 시장 변동성에 둔감하다. 또한 반도체는 p형과 n형으로 구분할 수 있는데, p형 반도체는 전압이 가해지면 홀이 이동하면서 전하가 이동하고, n형 반도체는 자유전자가 이동하여 전하가 이동한다. 이처럼 반도체는 다양한 특징과 종류를 가지고 있어 다양한 용도로 활용될 수 있다.
1.4. 반도체의 특징
반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 잘 통하지 않는 부도체의 중간적인 특성을 지니고 있다. 반도체는 대부분 고체이지만 액체 형태도 존재할 수 있다. 금속과 달리 반도체의 저항은 온도가 상승하면 감소하는 특성을 보인다. 또한 반도체의 저항률은 상당히 큰 폭으로 변화하는 특성을 가지고 있다.
1.5. 바이어스
바이어스란 전자관이나 트랜지스터의 동작 기준점을 정하기 위하여 신호전극 등에 가하는 전압 또는 전류이다. 여기에서 전압을 줄 때, 독립적인 전원에서 준다면 고정 바이어스, 회로의 동작 전류를 이용한다면 자체 바이어스라고 한다. 특정한 디바이스의 동작 특성에서, 원하는 동작점을 설정하기 위해 사용되는 전압을 바이어스 전압이라고 한다. 고정 바이어스는 온도나 전원 전압의 변동에 따른 동작점 변동이 심하지만, 자체 바이어스나 전류 궤환 바이어스는 이러한 변화에도 상대적으로 안정적이다. 따라서 전자 회로에서는 바이어스 회로를 적절히 사용하여 동작점을 안정적으로 유지할 수 있다.
1.6. 공핍층
pn접합 반도체는 정상 상태에서 그 접합면과 같이 캐리어가 존재하지 않는 영역을 가지는데, 이 영역을 공핍층이라 한다. pn접합 반도체의 양쪽 끝에 역방향 전압을 가하면 반대측 양쪽 끝에 캐리어가 모이기 때문에 공핍층이 더욱 커진다. 공핍층은 접합 부근에 다수 반송파를 갖지 않는 영역이며, 어떠한 전자나 정공도 존재하지 않는 측이다. 따라서 공핍층은 pn접합 반도체에서 캐리어가 존재하지 않는 영역으로, 역방향 전압을 가하면 공핍층의 크기가 더욱 증가한다.
1.7. 애벌런치 항복
역바이어스가 강하게 걸리는 상황에서, 전기장이 커지면서 가속도가 증가하면 공핍층으로 들어오는 캐리어가 결합된 전자를 분리시킬 만큼의 에너지를 가지게 된다. 이때 충돌에 의해 자유로워진 전자가 다시 다른 충돌을 일으켜 전자를 자유롭게 한다. 이것이 눈덩이처럼 쌓여 전류가 급격하게 증가하는 현상을 애벌런치 항복이라고 한다.
애벌런치 항복이 발생하면 전류가 급격히 증가하게 되므로, 전자 회로에서는 이를 막기 위한 방안이 필요하다. 제너 다이오드나 다른 보호회로를 사용하여 애벌런치 항복 전압 이하에서 동작하도록 회로를 설계해야 한다. 또한 공핍층 두께를 적절히 조절하는 등의 공정 기술적 방법으로도 애벌런치 항복 전압을 높일 수 있다. 이를 통해 반도체 소자의 내압 특성을 향상시킬 수 있다.
애벌런치 항복은 전자 회로에서 주요 고려 사항 중 하나이며, 이에 대한 깊이 있는 이해와 적절한 설계가 필요하다. 적절한 대책 없이 애벌런치 항복이 발생하면 소자 파괴로 이어질 수 있기 때문이다.
2. 회로 설계 기법
2.1. 리미터 회로
리미터 회로는 피크 클리퍼와 베이스 클리퍼를 조합한 것으로, 입력 파형의 상하를 잘라내어 진폭을 제한하는 파형 조작 회로이다. 전기적으로 결합한 1차 회로의 에너지를 직렬 공진형의 2차 회로가 흡수하게 된다. 공진점에서 2차 회로에는 최대 전류가 흐르며, 리미터 회로는 흡수형 파장계 등으로 이용된다.
리미터 회로는 입력 신호의 피크 전압과 저전압을 모두 제한하는 역할을 한다. 피크 클리퍼와 베이스 클리퍼가 조합된 형태로, 신호의 진폭을 일정 범위 내로 유지시킨다. 이를 통해 회로 내의 다른 단에서 과도한 전압 상승으로 인한 문제를 방지할 수 있다.
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