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CISC 와 RISC의 이해

0. 목차1. CISC(Complex Instruction Set Computer)의 이해2. RISC(Reduced Instruction Set Computer) 이해3. CISC와 RISC의 특징 및 구조상 차이점1. CISC(Complex Instruction Set Computer)의 이해{Intel Pentium III인텔의 x86 계열 혹은 모토롤라의 M68000 계열의 마이크로프로세서는 명령어, 주소지정 방식, 그리고 명령어 형식과 크기가 많고 다양하다. 이들의 제어는 MicroProgram으로 작성되어 있고 명령어 수행 사이클 수도 명령어마다 다르다. 이러한 마이크로프로세서의 제어부는 자연히 복잡하다. 많은 수의 OP코드와 주소지정 방식, 명령어 형식을 구분해야 하기 때문이다. 이러한 형태의 시스템을 통칭하여 CISC (Complex Instruction Set Computer)라고 한다.전형적인 CISC 명령어 세트는 다양한 명령어와 데이터형식을 사용해서 약 120개에서 350개의 명령어와 8개에서 24개에 이르는 범용레지스터 세트를 포함하고 12개 이상의 주소지정방식으로 많은 기억장치 참조연산을 수행한다.CISC 마이크로프로세서에도 파이프라인 구조가 있으나 명령어 크기가 다양하다. 명령어 실행 사이클이 다양한 시스템에서 파이프라인을 처리하기에는 근본적으로 문제가 있다.전통적인 CISC 설계에 반하여 80년대 초부터 RISC라고 하는 컴퓨터 설계 기술이 새로이 등장하였다. RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 축소 명령어 집합 컴퓨터라고 할 수 있겠다. 그러면 RISC에서 무엇이 reduced(축소된) 된 것인가? 명령어의 수, 주소지정 방식, 명령어 형식의 모든 것이 축소되었다. 이상적인 RISC에서는 모든 명령어가 동일한 크기(보통 32비트)이며 실행하는 데에 하나의 CPU 사이클만이 필요하다. 그러나 실제로는 모든 명령어가 아니라 대다수의 명령어(보통 80%이상)만이 하나의 사이클 내에 실행된다.기능이 다cute세 명령어 모두를 실행하는 데 4사이클이 소요된다. 여기서 명령어 i-1은 사이클 1에서 실행되며 명령어 i+3은 사이클 4에서 인출됨을 참고로 밝혀 둔다. 이 2단 파이프라인의 경우 어느 사이클에서든 두 명령어가 2단 파이프라인 상에 존재한다.이상과 같은 파이프라인 모델은 CISC 시스템에서는 실제로 거의 나타나지 않는다. 명령어의 길이가 달라 어떤 것은 한 사이클에 인출되고 어떤 것은 더 많은 사이클이 요구되기 때문이다. 명령어가 다르면 실행 사이클의 수도 다르다. 실제로 CISC에서는 다음이 보다 더 현실적인 예가 된다.{사이클명령어1 2 3 4 5 6 7ii+1i+2F E E EF EF F E EF : Fetch, E : Execute이 경우는 세 명령어를 실행하는 데 7사이클이 소요된다. 명령어 길이와 실행 시간이 같지 않기 때문에 파이프라인에서 몇 사이클인가 대기해야 하는 명령어가 나타난다. 명령어 i+3은 사이클 5에서 인출되나 사이클 8 이전에는 실행될 수 없다.이상의 예는 CISC형 시스템에서 파이프라인을 효율적으로 구현할 수 없음을 보여 준다.실제의 시스템에서 명령어 파이프라인은 2단 이상이다. 보통 정수 연산은 3-6단, 부동소수점의 경우는 그 이상이다. 명령어마다 길이와 실행 사이클에 상당한 차이가 있으며 이 명령어들이 CPU에 임의의 순서로 나타난다면 파이프라인 설계와 이용은 훨씬 더 복잡해진다. 이러한 문제는 슈퍼스칼라(Superscalar){) 슈퍼스칼라(Superscalar) - CPU의 각 사이클마다 동시에 여러 개의 명령어가 시작되는 구조.구조나 슈퍼파이프라인(Superpipeline){) 슈퍼파이프라인(Superpipeline) - 각 사이클마다 여러개의 명령어가 시작은 되나 동시는 아닌 방식 의 구조. n-issue superpipeline 시스템에서는 1/n 사이클마다 새 명령어가 시작된다. 대부분의 최신 마이크로프로세서는 2-issue 슈퍼스칼라 연산을 채택하였다. 그러나 SuperSPARC는 3-issue, IB에 적합하도록 설계된 기계어는 다른 고급 언어에는 불필요한 것으로 되는 경우가 많으며 이렇게 되면 설계자는 시간 낭비만 한 셈이 된다.앞서의 파이프라인 동작 예로부터 모든 명령어가 실행 및 인출에 동일한 수의 사이클로 처리된다면 효율적일 것으로 생각할 수 있다. 여기서 소요 사이클 수가 1이라면 처리 속도는 가장 빠른 시스템이다. 따라서 설계자는 모두 1사이클 인출 및 실행으로 끝나는 연산을 설계하는 것이 좋다.1사이클 인출은 모든 명령어를 표준 크기로 제한하면 이룰 수 있다. 명령어의 표준 길이를 컴퓨터 시스템의 기본 워드 길이와 같게 하면 모든 명령어의 인출을 1사이클에 끝낼 수 있다.명령어 실행 사이클을 동일하게 설계하는 것은 명령어 인출 시간을 같게 하는 것보다 더 어려운 문제이다. CPU 레지스터에 대한 간단한 연산은 한 클록 사이클 내에 실행될 수 있으나 메모리 접근이 요구되는 명령어나 곱셈, 나눗셈, 부동 소수점 연산은 한 사이클에 끝내기가 어렵다. 성능을 좋게 하려면 설계자는 대부분의 명령어가 한 사이클에 끝날 수 있는 방안을 모색해야 한다.모든 명령어의 인출과 실행을 동일한 시간에 마칠 수 있도록 설계하는 것이 이상적이다. 이것이 RISC 설계 개념에 내재된 가장 중요한 원칙이다. 모든 명령어가 일정한 속도로 메모리로부터 CPU로 로드되어 실행된다. 모든 명령어가 동일한 속도로 실행되며 대기하는 시간 없이 CPU는 노는 시간이 없다. RISC의 기본 아이디어는 이와 같다.2. RISC(Reduced Instruction Set Computer) 이해{SUN UltraSPARC IIIRISC형 시스템의 연속적인 작동을 위해서는 다음과 같은 조건이 만족되어야 한다.1) 명령어의 길이는 고정적으로 워드 길이 및 데이터 버스의크기와 같아야 한다.2) 모든 명령어의 실행 시간이 같아야 하며 특히 1사이클이면가장 좋다.명령어를 연속적으로 처리하려면 명령어 길이가 같아야 할 뿐만 아니라 실행 시간이 균일하도록 하기 위해 디코딩 및 제어 부분이 단순해야 한다 모든 명령어가 한 사이클 내에 수행되도록 하는 것은 비현실적이므로 80% 이상이 한 사이클 내에 실행될 수 있으면 되는 것으로 간주한다.그러면 어떠한 명령어들이 축소된 명령어에 포함되어야 하는가?연구 결과에 의하면 10-20%의 명령어가 실행 시간의 80-90%를 점하는 것으로 나타났다. 실행 빈도가 높은 명령어로는 데이터 이동 명령어와 산술 및 논리 연산 명령어가 포함된다. 또 다른 선택 기준으로는 고급 언어에 대한 일반적인 지원 정도를 들 수 있다. 90% 이상의 프로그램이 고급 언어로 작성되고 있는 점을 감안하면 고급 언어와 기계와의 의미상의 차이를 줄이기 위하여 고급 언어에의 일반적인 지원 정도는 중요한 요소이다. 여기서 특정의 고급 언어에 대한 지원이 아닌 일반적 지원이라는 점에 주의해야 한다. 즉 특정 고급 언어가 아닌 고급 언어를 지원할 수 있는 일반적인 특징(프로시저 처리, 매개변수 전달, 프로세스 관리 등)을 택해야 한다.앞에서도 언급했듯이 명령어가 한 사이클에 실행될 수 없도록 하는 원인 중의 하나는 피연산자 인출 및 결과 저장을 위해 메모리를 접근해야 하는 것이다. 따라서 실행 단계에서 메모리를 접근해야 하는 명령어를 최대한 줄이는 것이 중요하다. 이로부터 다음과 같은 RISC 원칙이 나오게 되었다.1) 실행시의 메모리 접근은 load와 store 명령만으로 행한다.2) load, store 이외의 모든 연산은 레지스터-레지스터로 행한다.이 두 규칙을 따르는 시스템을 load/store 메모리 접근 구조를 따른다고 한다.대부분의 CISC 시스템은 마이크로프로그램의 융통성 때문에 마이크로프로그램 방식으로 제조된다. 보통 명령어마다 마이크로 루틴의 길이도 다르다. 이렇게 되면 명령어마다 실행 사이클의 수도 달라진다. 이것은 모든 명령어를 균일하게 처리한다는 원칙에 위배된다. 명령어를 균일하게 처리하려면 hardwired 제어 방식이어야 하며 hardwired 방식이 속도도 빠르다. hardwired 방식에서는 입력신호가 논리회로망을 통과하여 C인 것으로 간주할 수 있다. 따라서 여기의 기준에 가까우면 가까울수록 완전한 RISC인 셈이다.{1. 모든(혹은 최소한 80% 이상) 명령어를 한 사이클에 실행한다.2. 모든 명령어의 길이가 표준적으로 한 단어이다.3. 명령어의 개수가 128개를 넘지 않는다.4. 명령어 형식의 종류가 4가지를 넘지 않는다.5. 주소지정 방식의 종류가 4가지를 넘지 않는다.6. 메모리 접근을 하는 명령어는 load, store뿐이다.7. load, store를 제외한 모든 연산은 레지스터-레지스터 연산이다.8. Hardwired 제어부9. 비교적 많은 개수(최소 32개)의 범용 CPU 레지스터표 1. RISC 정의표1.의 기본 성질 외에 실제의 RISC 시스템에는 여러 가지 기능이 추가되었다. 이 기능들은 RISC 시스템에 고유한 것은 아니므로 정의에 포함되지는 않는다. 이 기능들은 CISC형 시스템에 포함될 수도 있으며 실제로 포함된 경우도 있다.이러한 기능 중의 하나는 고급 언어에 대한 지원이다. 초기의 기계 설계에서는 배열 관리, 프로시저 매개변수 전달의 처리, 정보의 형 선언과 구분, 프로세스, 메모리 관리 등의 고급 언어 기능을 하드웨어로 지원하지 않았다. 따라서 고급 언어와 기계간에 큰 의미적 격차가 있었다. 초기의 컴퓨터에서는 이러한 격차를 소프트웨어로 메웠다. 그러나 큰 격차로 인하여 시스템 소프트웨어는 복잡하고 많은 노력이 요구되며 신뢰성이 없었다. 최근에는 VAX와 같은 많은 시스템이 기본 설계에 고급 언어를 지원하는 기능을 넣고 있으며 따라서 그 격차가 줄어들었다.고급 언어 기능의 지원은 RISC이건 CISC이건 어떠한 시스템에도 필수적이다. 이것은 다소 복잡한 문제이므로 다소 주의 깊게 접근해야 한다. 고급 언어의 기능과 명령어를 설계에 많이 포함시키면 매우 복잡하고 성능이 낮은 시스템으로 되기가 쉽다. 이보다는 여러 고급 언어 기능의 사용 빈도를 통계적으로 조사하여 소수만을 선택하는 것이 좋다. 이러한 실험 작업이 Berkeley 대학에서 RISC I과있다.

공학/기술| 2001.09.03| 10페이지| 1,500원| 조회(1,818)

컴퓨터, 프로세서, CPU, risc, cisc

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LED & Laser

{0. 목차1. Light Emitting Diode1. 개요2.2. 동작원리4.3. 발광 다이오드의 대표특성1) V - I 특성6.2) 발광출력 - 순전류특성6.3) 지향특성6.4) 피크발광파장6.4. 형상7.2. Laser1. 개요8.2. 기본원리8.3. 레이저의 종류1) 광펌핑 고체 레이저8.2) 액체 레이저9.3) 염료 레이저10.4) 기체방전 레이저10.5) 기체역학 레이저10.6) 화학 레이저11.7) 반도체 레이저11.8) 자유전자 레이저11.9) 짧고 강한 펄스를 발생시키는 레이저12.4. 레이저의 응용12.5. 참고문헌15.{1. 개요LED(Light Emitting Diode)란 발광다이오드의 약자로 화합물반도체의 특성을 이용해 전기신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체소자를 말하며 전자제품류와 가정용 가전제품, 리모컨, 자동차 계기판, 전광판, 각종 자동화 기기등에 사용된다.LED는 IRED(Infrared Emitting Diode) 와 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나뉘어 진다. IRED(Infrared Emitting Diode)는 가공되어 IR Emitter, TV 리모컨, 광학스위치, IR LAN, 무선 디지털 데이터 통신용 모듈등에 쓰인다. VLED(Visible Light Emitting Diode)는 빨강, 녹색, 노랑, 오렌지색 등이 개발되어 있다. 이 칩은 램프로 조립(LED)되어 각종 전자제품의 표시나 신호등 및 전광판등의 광원으로 쓰인다.{{{{{VLED(Visible Light Emitting Diode)LED 발광색상은 현재 빨강, 녹색, 노랑, 오렌지색 등이 개발되어 있다. 첨가하는 불순물의 함량에 따라 재질의 파장이 달라 파장은 인간의 가시광선 영역인 400nm에서 700nm사이이며 적색은 700nm대, 녹색은 565nm, 노랑은 585nm, 오렌지색은 635nm의 파장을 형성하고 있다.청색 LED는 아직 가시광선내에서의 파장이 미형성, 세계적으 발광중심에서의 재결합에 의한 것이 있다. 자유 캐리어의 재결합에 의한 것에서 발광파장은 대략 ch/Eg(c 는 광속, h 는 플랑크 상수, Eg 는금지띠의 에너지폭)와 같으며, 비소화갈륨의 경우에는 약 900nm인 근적외광이 된다. 갈륨-비소-인에서는 인의 함유량 증가에 따라 Eg가 증가하므로 가시발광 다이오드가 된다.한편, 불순물 발광중심에서의 재결합에 의한 것에서는 발광파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다르다. 인화갈륨인 경우, 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700nm)이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550nm)이다. 발광 다이오드는 종래의 광원(光源)에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율(質率)이 좋다.또한 고속응답이라 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자표시 장치나 계산기의 카드 판독기 등에 쓰이고 있다. 또, 주입형 반도체 레이저는 주입 밀도가 매우 높은 발광 다이오드의 일종이며, 반전분포(反轉分布)가 발생하여 간섭성(干涉性) 빛을 생기게 할 수 있다.2. 동작원리PN접합의 에너지 밴드를 그림1 (a)에 나타낸다. 이것은 열평형상태로 N측부터 P측에는 Potential 장벽이 있기때문에 접합을통한 전하이동은 일어나지 않는다.{외부로부터 PN접합에 순바이어스를 걸면 Potential 장벽은 감소하고 그림1 (b)에 나타낸것 처럼 전도대 안에서 전자가 N측으로부터 P측으로 흐르고 가전자대 안에서는 반대방향으로 정공이 흐른다. 이것이 소수CARRIER의 주입이다. 소수CARRIER 주입이 일어나면 열평형상태 보다도 소수CARRIER가 존재하게되고 높은 에너지 상태에서 불안정하기 때문에 비교적 짧은 시간 내에 공핍층 근처에서 가전자대로 떨어져 에너지를 잃고 소멸한다. 이런 재결합이 이루어지면 잃은 에너지의 일부로써 광이 외부로 방출된다. 반도체결정은 그전자가 갖는 에너지가 운동량에 따라 다르기 때문에 직접천이형V 정도이다.{2) 발광출력 - 순전류특성발광 다이오드로부터 방사된 에너지중에 광축방향으로 나오는 에너지를 발광출력 (Po) 라 한다. 발광출력은 순전류에 대개는 비례하지만 순전류의 최대정격치 부근에서는 열손실로 발광출력의 직선성이 없어진다.{3) 지향특성발광다이오드는 일반적으로 그 Package에 의해 광축방향으로 출력의 피크가 있고 광축부터의 각도에따라 출력은 감소한다. 피크치의 50%되는 각도를 반치각 (Δθ)로 표시한다.{4) 피크발광파장발광파장은 발광다이오드에 사용하는 재료에 따라 결정된다. 당사에서는 주로 GaAs, GaAlAs를 사용하고있다.4. 형상LED는 그 Package방법에 따라 특성이 크게 변하기 때문에 용도에 맞는 LED를 선택할 필요가 있다.{그림7 (a)의 LED는 수지성형품 이지만 그 구조에서 지향성이 대단히 예리하게 되어 있다. 반면 도달거리가 긴 특징을 가지고 있기 때문에 광 리모콘용 발광소자로 최적이다.그림7(b)는 실외 사용등 열악한 조건하 에서도 사용할 수 있어 신뢰성이 높다. 그리고 이Type 은 발광창이 유리렌즈 를 사용해 예리한 지향성의 고출력발광이 가능하다.그림7 (c)는 박형 세워진 형상의 수지Type이다. 이는 수광과 대향시켜 인터럽터등에 최적이다. 어떤 타입도 이런 형상에 의한 특성을 갖고 출력면 에서 GaAs, GaAlAs 타입 파장면에서 가시, 근적외특성 을 맞춰 여러가지특성의 LED를 취급하고 있다.{1. 개요매우 순수한 색을 가지고 강한 빛을 발생시키는 장치 또는 그 빛을 말하는 용어인데 이 빛은 경도가 가장 크고 열에 가장 강한 물질을 충분히 증발시킬 만큼 강하다. 레이저란 용어는 유도방출복사에 의한 빛의 증폭(light amplification by stimulated emission of radiation)이라는 구절의 첫 글자들을 딴 것이다.2. 기본원리원자와 분자는 높거나 낮은 에너지 준위(準位)에 존재한다. 낮은 준위의 원자·분자들은 대개 열에 의해 높은 준위로 여기(勵起)되며 높은 준위에 닿 과정이기 때문에 광펌프는 큰 세기를 가져야 한다.{Q-스위치를 이용한 루비 레이저광펌핑 고체 레이저는 선택된 물질의 막대로 만드는데, 양 끝이 평평하고 평행하도록 다듬어지며 레이저광을 반사하는 거울로 덮여 있다. 막대의 측변은 펌핑 등(燈)으로부터 빛을 받을 수 있도록 투명하며, 카메라의 전자 섬광(閃光) 전구처럼 점멸하는 펄스형 기체방전관이 펌핑 등으로 쓰일 수 있다. 펌핑 등은 레이저막대 주위에 길이 방향으로 감길 수도 있고 거울을 사용하여 막대에 집속될 수도 있다(그림 참조). 최초로 동작한 레이저는 인조보석인 사파이어(산화알루미늄) 결정으로 만든 분홍색의 루비 막대를 사용했다. 그 이래로 많은 희토류 원소들이 사용되었으며 네오디뮴(Nd)이 가장 많이 쓰였다. 출력전력은 섬광의 형태로 수천W까지 얻을 수 있다.2) 액체 레이저고체 레이저는 물질내부에서 발생하는 열과 펌핑 등에 의한 열 때문에 고출력에서는 때때로 파손되고 손상을 입는 단점이 있다. 액체 레이저는 그러한 손상을 입지 않으며, 산화네오디뮴 또는 염화네오디뮴을 염화산화셀렌에 녹인 용액으로 채워진 투명조(透明槽)가 결정체 또는 유리질막대를 대체한다. 투명조는 출력일률을 높이기 위해 원하는 만큼 크게 만들 수 있다. 그러나 레이저로서 동작하는 무기(無機) 액체의 종류는 아주 적다.3) 염료 레이저어떤 유기염료는 다른 색깔의 재복사광을 내는 형광작용을 한다. 비록 구성원자들의 여기상태가 1초도 안 되게 지속되고 방출된 빛의 대역이 좁지는 않지만, 광범위한 주파수대역에 동조(同調)할 수 있는 장점을 가지고 있어서 레이저 작용을 나타내는 많은 염료들이 만들어졌다. 주황색을 띤 노란빛을 발하는 로다민 6G와 같은 염료는 다른 레이저로 여기시켜 레이저 작용을 나타내게 한다. 로다민 6G는 펄스 발진이 아닌 연속발진이 처음으로 이루어진 염료이며 가변파장 레이저광의 연속빔을 생산 가능하게 했다. 메틸럼벨리페론 염료는 염산을 첨가하여 자외선에서부터 노란색 빛까지의 파장에서 레이저 작용을 하도록 만들 수 있어서 런 종류의 레이저에 전형적으로 사용되며 인화인듐(InP)과 비소인화인듐갈륨(AlxGal 1-xAsyP1-y) 같은 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의 쌍도 사용된다.이 소자를 통해서 큰 전류가 흐를 때 레이저광이 접합영역으로부터 발생한다. 이들 소자는 출력일률이 제한되어 있지만 낮은 비용, 작은 크기 그리고 비교적 높은 효율 때문에 광섬유통신 시스템과 디지털 오디오 디스크 플레이어의 광원으로 사용되기에 적합하다.8) 자유전자 레이저이 레이저는 고출력복사빔을 발생함에 있어서 다른 어떤 종류의 레이저보다도 효율적이다. 더욱이 이 장치는 파장이 가변적이어서 마이크로파에서 자외선까지의 파장에서 작동하도록 만들 수 있다(이론적 X선의 파장을 가진 레이저를 만들 가능성은 있지만 현재의 기술 수준으로는 그렇게 짧은 파장을 다룰 수는 없음). 입자가속기 또는 다른 원천에서 나온 자유 전자들이 일직선으로 배열된 전자석으로 구성된 장치인 언듈레이터(undulator：보통 wigger라 함)를 통과한다. 언듈레이터 안의 교류전기장에 의해 전자들이 역선 주위로 나선형의 경로를 따른다. 그에 따라 전자들이 빛의 속력에 접근할 정도로 가속되고 싱크로트론 복사의 형태로 에너지를 방출한다. 복사의 세기와 파장은 자기장의 어떤 매개변수를 조정함으로써 조절할 수 있다. 넓은 범위에서 가변적인 파장과 높은 효율을 가진 레이저 광을 발생시키는 능력 때문에 연구자들은 자유전자 레이저가 더욱 개발되면 동위원소의 분리, 반도체 연구, 레이저빔 무기로서의 탄도 미사일 방위 등과 같은 응용에서 특히 유용할 것이라고 기대한다.9) 짧고 강한 펄스를 발생시키는 레이저증폭기와 레이저의 양끝에 있는 거울 사이에 놓인 셔터는 닫혀 있는 한 레이저 작용을 방해한다. 조건이 그밖의 다른 면에서 레이저 작용에 적당할 때 셔터가 갑자기 열리면 저장된 에너지가 강력한 펄스광으로 방출된다. 이 펄스광은 1초보다 짧은 시간 동안 지속되며, 최고일률용량이 105W 정도로 강하다. Q-스위치는 기계적 셔터일 수도 있지만, 보통 때는 불다.

공학/기술| 2001.09.03| 15페이지| 1,500원| 조회(1,617)

레이저, 다이오드, LED, laser, 발광

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각종 반도체의 종류와 특성 및 제조에 관한 정리 평가A좋아요

1. 개요반도체(Semiconductor)란 전기전도도가 도체와 절연체의 중간 정도인 결정형 고체들을 말한다. 이러한 물질들을 화학적으로 처리함으로써 전류를 흐르게 할 수도 있고 전류의 흐름을 조절할 수도 있기 때문에 다이오드{) 다이오드(Diode) - 유리 또는 금속으로 된 진공용기 속에 음극과 양극 두 전극이 들어 있는 전자관.·트랜지스터{) 트랜지스터(Transistor) - 전기 신호를 증폭·제어·발생하는 데 사용하는 고체 소자.·집적회로{) 집적회로(Integrated Circuit / IC) - 공통의 한 기판 위에 트랜지스터·다이오드·축전기·저항 등 서로 독립 된 회로소자들을 내부적으로 서로 연결해 전기회로 내에서 특정한 기능을 수행하도록 한 회로소자들의 집합체.등의 다양한 전자소자를 만드는 데 쓰인다.2. 반도체의 일반 성질반도체 물질들은 고유반도체(원소 반도체)와 불순물반도체의 일반적인 2개 그룹으로 나눌 수 있다. 고유반도체는 화학적 순도가 대단히 높고(이 물질들은 1012에 1개 정도의 불순물을 포함함), 전기전도도가 아주 낮으며, 온도에 따라 전기전도도가 크게 변한다. 흔히 쓰이는 고유반도체로는 규소(Si), 게르마늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs)의 단결정들이 있다. 이러한 물질들에 일반적으로 106에 1개 정도의 불순물을 첨가하면 기술적으로 더욱 중요한 불순물반도체로 된다. 이 과정을 도핑(doping)이라고 하며, 이것은 물질의 전기적 성질을 변화시켜서 전기전도도를 갑자기 크게 한다. 예를 들어 규소 원소 같은 고유반도체의 원자는 4개의 최외각 전자를 가지고 있다. 이 전자들은 규소원자를 그것에 이웃하는 원자와 결합시켜주고 있어서 고체 내에서 자유롭게 움직일 수 없다. 따라서 순수한 규소는 전기전도성이 나쁘다.만약 5개의 최외각 전자를 가진 인(P) 원자가 불순물로 일부의 규소원자를 치환한다면 이웃한 원자들을 결합시키는 데 있어 5번째의 전자는 필요하지 않으므로 이 전자는 자유롭게 움직일 수 있다. 반면 붕소와 같은 형의 불순물원자들문에 사용되고 있다.(2) 전기적 성질여기에서 논해지고 있는 반도체 물질은 단결정이다. 단결정은 원자가 3차원의 주기적 모양으로 배열된 결정을 말한다. 그림2-1은 순도가 매우 높고 불순물의 양은 무시할 정도인 순수한 규소(실리콘) 결정의 단순화된 2차원 구조를 나타내고 있다. 각각의 규소원자는 4개의 인접 원자로 둘러싸여 있다. 또 각 원자는 외곽에 4개의 전자를 가지고 있고, 이 전자를 4개의 인접 원자와 공유하고 있다. 두 핵이 전자를 서로 끌어당김으로써 두 원자가 묶여진다. 이 전자 공유는 공유 결합으로{그림2. 반도체의 3가지 결합형태알려져 있다.저온에서 전자는 각각의 결정 내의 위치에 구속되어 있어서 전기전도에 이용될 수 없다. 고온에서는 열진동으로 일부의 공유 결합이 깨져서 자유전자가 생성된다. 전자가 일단 공유 결합으로부터 벗어나면 그 결합에는 전자 결핍이 생긴다. 이 결핍은 인접 전자 중의 하나에 의해서 채워질 수 있는데, 그결과 결핍 위치가 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다. 따라서 이 결핍은 전자와 유사한 입자로 간주될 수 있다. 양공이라는 이름이 붙여진 이 가상의 입자는 양전하를 수송하고, 전기장의 영향하에서 전자의 방향과 반대 방향으로 움직인다.고립된 원자의 경우 원자의 전자는 불연속의 에너지 준위를 가질 수 있다. 많은 수의 원자가 합해져서 결정을 만들면 원자간의 상호작용으로 불연속의 에너지 준위는 에너지 띠가 된다. 열 진동이 없을 경우에는 반도체의 전자는 낮은 에너지부터 여러 개의 에너지 띠를 완전히 채우고, 그결과 나머지 에너지 띠는 빈 채로 있게 된다. 가장 높이 채워진 에너지 띠는 가전자띠라고 불린다. 그 다음으로 높은 띠가 전도띠인데, 이것은 에너지 간격에 의해서 가전자띠와 분리되어 있다. 이 에너지 간격은 띠간격이라고도 불리는데, 이것은 반도체의 전자가 가질 수 없는 에너지 값을 나타낸다. 대부분의 중요한 반도체는 0.25~2.5eV에 이르는 띠간격을 가지고 있다. 예를 들면 실리콘의 경우에는 1.12eV, 비소화갈륨의 경우 좌우된다.4. 이단자접합 소자p-n접합 다이오드는 2개의 단자를 가진 고체 소자이다. 불순물의 분포, 소자의 기하학적 구조 및 인가전압의 조건에 따라 접합 다이오드는 여러 가지 기능을 할 수 있다. 현재 정격전압이 1V 미만에서 2,000V 이상이고 정격전류가 1㎃ 미만에서 5,000A 이상인 다이오드들이 5만 가지 이상이나 있다. p-n 접합은 빛을 생성하고 감지할 수 있으며 복사 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.(1) 정류기이 형태의 p-n 접합 다이오드는 한쪽 방향으로는 전류에 대해서 낮은 저항이 걸리고, 반대방향의 전류에 대해서는 높은 저항이 걸리게 하여 특별히 교류를 정류하도록 설계되어 있다. 이러한 다이오드는 50~5만㎐에 이르는 주파수에서 작동하는 전력 정류 장치로 전력 소비능력은 0.1~10W이고 역방향 항복전압은 50~5,000V 이상이다. 고전압 정류기는 2개 또는 서로 연결된 그 이상의 p-n 접합으로 만들어졌다.(2) 제너 다이오드이 전압 조정기는 정격 항복전압을 만들기 위해서 불순물 분포가 정확하게 조절된 p-n 접합 다이오드이다. 이것은 항복전압이 0.1V에서 수천V에 이르는 범위를 가질 수 있도록 설계될 수 있다. 제너 다이오드는 역방향으로 작동하여 정전압원, 변동 전원장치의 기준 전압과 과도 전압, 전류에 대한 보호장치로 쓰인다.(3) 버랙터 다이오드버랙터(variable reactor)는 리액턴스(교류저항)를 인가전압으로 조절할 수 있는 소자이다. 이것은 특수한 불순물 분포를 지닌 p-n 접합이며, 그 전기용량 변화는 역방향 인가전압에 매우 민감하다. 버랙터는 매개변수증폭, 조화파 발생, 혼합, 검출 및 전압 가변 동조 기구에 널리 사용되고 있다.(4) 터널 다이오드터널 다이오드는 하나의 p-n 접합으로 구성되어 있다. 접합의 p와 n쪽 모두에 불순물이 고농도로 도핑되어 있어서 공핍층이 아주 좁다(약 100A). 순방향 인가전압에서 전자는 접합을 통해서 직접 터널링하여 통과할 수 있는데, 이때 음저항 효과(즉 전류가 전압형성된다. 저항성 접촉은 산화물 층(절연체)에 열려 있는 윈도를 통해서 p＋ 영역의 상단과 n 영역에 만들어지고, 바닥의 p 영역에 만들어진다.그림4-2에 나와 있는 쌍극성 트랜지스터의 이상화된 1차원 구조는 그림4-1의 점선이 지나는 부분으로 생각될 수 있다. 불순물이 많이 첨가된 p＋ 영역은 이미터라고 불리는데, 중앙의 좁은 n 영역은 베이스이고 p 영역은 컬렉터이다. 그림4-2에 나와 있는 회로는 베이스 접지 구성으로 알려져 있다. 화살표는 정상 작동 조건, 즉 이미터 베이스 접합이 순방향으로 전압이 인가되어 있고 베이스 접지 접합은 역방향으로 전압이 인가된 조건하에서 전류가 흐르는 방향을 나타낸다. p-n-p 쌍극성 트랜지스터의 대응구조는 n-p-n 쌍극성 트랜지스터인데, 이것은 그림4-1의 p를 n으로, n을 p로 바꿈에 의해서 얻어진다. 전류의 흐름과 전압의 극성은 모두 역전된다.쌍극성 트랜지스터는 p-n 접합 2개가 결합된 구조이다. 이미터 베이스 p＋-n 접합은 순방향의 인가전압이 걸리고 작은 저항을 가지고 있다. p＋ 이미터 속의 주된 운반자인 양공은 베이스 영역에 주입(또는 방출)된다. 베이스 컬렉터 n-p 접합은 역방항으로 전압이 인가되어 있다. 그것은 높은 저항을 가지고 있으며, 단지 적은 누설 전류만이 접합을 통해 흐른다. 그러나 베이스의 폭이 충분히 좁으면, 이미터로부터 주입된 대부분의 양공은 베이스를 지나 컬렉터에 도달할 수 있다. 이 운반 메커니즘은 많이 통용되는 이미터·컬렉터라는 명칭을 만들어냈다. 이미터는 운반자를 방출하든가 주입한다. 컬렉터는 가까운 접합으로부터 주입된 운반자를 모은다.{그림5. 1. p-n-p 이미터 공통 구조 2. 이미터 공통구조에서 나타나는 p-n-p 트랜지스터의 출력특성베이스 접지 구성의 전류이득은 베이스-대-컬렉터 전압이 일정할 때 컬렉터 전류의 변화를 이미터 전류의 변화로 나눈 값으로 정의된다. 잘 설계된 쌍극성 트랜지스터에서의 대표적인 베이스 접지 전류이득은 1에 아주 가깝다.가장 유용한 증폭 회로전에 가할 수 있는 최대 순방향 전압을 순방향 브레이크오버(forwardbreakover) 전압 VBF라고 부른다. VBF의 크기는 게이트 전류에 좌우된다. 게이트 전류가 높을수록 전류 IA가 더 빠르게 증가하고 재생과정을 촉진시키며 더 낮은 VBF에서 스위칭이 일어난다. 스위치 행동에 대한 게이트 전류의 영향이 그림6-3(점선)에 나와 있다.양방향, 삼단자 사이리스터는 트라이액(triac)이라고 부른다. 이 장치는 게이트와 2개의 주단자 중 하나와의 사이에 어떤 극성을 가진 작은 전류를 걸어줌으로써 그 방향으로 전류를 스위칭할 수 있다. 트라이액은 2개의 사이리스터를 반(反)평행이 되도록 연결하여 집적시킴으로써 제작할 수 있다. 그것은 조광(調光) 전동기 속도 조절, 온도 조절 같은 교류전류 기구에서 광범위하게 사용되고 있다. 소자의 스위치 동작을 조정하기 위해서 광 신호를 사용하는 광활성 사이리스터도 있다.7. 금속-반도체 전계효과 트랜지스터{그림7. 1) MESFET의 개략도2) MESFET의 전류-전압 특성3) MESFET의 전기기호 표시(S는 소스, G는 게이트, D는 드레인)금속-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-semiconductor field-effect transistor/MESFET)는 그 전도 과정에 주로 한 종류의 운반자만이 참여하기 때문에 단극성 소자이다. MESFET는 아날로그 회로와 디지털 회로 양쪽에 응용될 수 있는 많은 특성을 가지고 있다. 또 높은 전자 이동도를 지닌 반도체(예를 들면 이동도가 실리콘보다 5배나 더 큰 비소화갈륨)로 만들어질 수 있기 때문에 특히 초단파 증폭과 고속 집적회로에 유용하다. MESFET는 단극성 소자이기 때문에 소수 운반자 효과에 의해 영향을 받지 않으며, 따라서 쌍극성 트랜지스터보다 스위칭 속도가 더 빠르고 작동 주파수가 더 높다.MESFET의 개략도는 그림7-1에 나와 있다. 이것은 2개의 저항성 접촉을 지닌 전도 채널로 구성되어 있다. 2개의 저항성 접촉 중에서 하나는 소스(source)로

공학/기술| 2001.04.06| 15페이지| 1,500원| 조회(1,536)

반도체, 트랜지스터, 다이오드, ic

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고체(활성탄)의 건조 평가A좋아요

고체의 건조1. 실험 목적물이나 다른 액체들은 압착이나 원심력에 의해서 기계적으로 또는 열적으로 기화에 의해 고체로부터 제거된다. 고온의 공기가 수분을 함유한 고체와 접촉됨에 따라 열전달의 결과 수분이 증발하여 고체의 시료가 줄어든다. 시료와 접촉하기 전후의 공기의 수분을 습구 온도계를 사용하여 측정할수 있다. 또 얻어진 데이터 값을 통해 시간변화에 따른 함수율의 변화를 확인할 수 있다.2. 이 론건조기에서는 젖은 고체의 정의상 열 공정이다. 액체의 비등점보다 높은 온도로 흡착된 물질의 마지막 흔적을 없애기 위해서는 그보다 훨씬 높은 온도로 물질을 건조시킬 수 있다. 예를 들어 젖은 고체는 과열 수증기에 노출시켜 건조할 수도 있다. 이 경우 확산의 문제는 없고 열 전달만의 것이다. 결국은 건조속도는 물질전달에 의해서가 아니고 열 전달에 의해 제한된다. 그래서 건조 이론식에서 q(단위 시간당 공급된 열량)q{}={}UAΔT{}={}xλ,U{}={}{xλ} over {AΔT}q : 단위시간당 공기에서 고체로 공급된 열량 [cal~/~sec~]U : 총괄 열전달 계수 [W~/`m^2 ~C~]A : 고체가 공기와 접촉되는 표면적 [cm^2~]DELTA T: 고온공기와 고체시료와의 온도차, 공기의 경우 고체를 지나면서 온도가 감소하므로 평균온도를 사용함.lambda: 고체의 온도에서 물의 증발열, 문헌에서 구함 [~cal~/~g~]x : 단위시간당 수분 증발속도, 고체시료의 무게를 시간의 변화에 따라 측정하여 구함. [~g~/~sec~]함수율 ={수분의~양} over {건조고체의~무게(g~H_2 O/g건조고체)}=w-w over w건조기의 종류에 따라 연속식, 회분식 건조기가 있다. 우리가 실험시 사용할 건조기는 단형건조기(tray dryer)로 얇은 금속판으로 만들어진 사각형 방선반 H를 지지하는 2개의 트럭이 들어 있다. 각 선반에는 건조될 물질을 담은 사방 750mm이고 깊이가 50내지 150mm되는 얇은 사각형 상자들이 많이 들어있다. 가열된 공기는 송풍기와 모터에 의해 쟁반 사이를 2내지 5m/s로 순환하여 가열기를 지나간다. 장애판에 쌓여있는 쟁반위로 공기를 균일하게 배분시킨다. 일부 습한 공기는 배출관을 통해서 연속적으로 환기되며, 보충되는 새로운 공기는 입구를 통해서 들어간다. 선반들은 트럭바퀴에 올려져 있어서 건조주기가 끝나면 트럭을 방밖으로 끌어내 쟁반을 쏟아놓는 곳으로 보내게 되어있다.그림 . 실험 장치① 단일 효용관 (Single-effect evaporation)- 단일 증발기를 사용. 단순하기는 하지만 수증기 이용에는 비효율적② 다중 효용관 (Multiple-effect evaporation)공급 수증기와 응축기 사이에 일련의 증발기를 사용함으로써 수증기lb당증발량을 증가시키는 일반적인 방법③ 증발기 형태a. 장관형 수직 증발기(long-tube vertical evaporator)- 상향 흐름식(upward flow) [상승막형(climbing-film)]- 하향 흐름식(downward flow) [하강막형(falling-film)]- 강제 순환식(force circulation)b. 교반식 박막 증발기(agitated-film evaporator)3. 실험 방법① tray 건조기의 전원을 켜고,저울의 영점을 맞춘다.(단,영점을 맞출 때 선반의 무게를 포함하여 영점을 맞춘다.)↓② 건조기의 입구와 출구에 각각의 온도계를 장착한다.↓③ 면적이 일정하도록 활성탄 plate에 배열하고 그 면적을 정확히 측정한다.↓④ 건조 활성탄에 적당한 양의 물을 뿌린다. 이때 물이 plate의 바닥에 닿지않도록 조심한다. (단,활성탄의 면적이 변하지 않도록 주의 한다.)↓⑤ 다시 물을 포함한 활성탄의 무게를 측정한다.↓⑥ Temperature Controller를 조작하여 온도를 맞추고 Heatover Controller의knob을 high로 돌려 장치를 켠다.↓⑦ Fan speed Controller를 조작하여 회전속도를 맞춘다.↓⑧ 공기의 온도를 조절한다.↓⑨ 온도계를 이용하여 plate 입구와 출구의 공기 온도를 측정하고 활성탄의온도도 측정한다.↓⑩ 일정한 시간에 따라 활성탄의 무게 및 건조기의 입구와 출구 온도를 측정한다.※ 주의사항저울의 영점 조절에 주의한다.Fan의 회전속도가 일정하지 않으므로 정기적으로 조절한다.물을 뿌릴 때 활성탄의 면적이 변하지 않도록 주의한다.Plate 입구와 출구의 환기가 잘 되도록 한다. 그렇지 않을 경우, 입구와 출구의 공기 유통의 차이로 인해 기기에 무리가 갈 수 있다.4. 결과 및 토론4.1. 결 과 (Result)1 Result A활성탄 무게 (g)50쟁반 무게 (g)584.5활성탄 면적 (cm^2)681.5Fan speed (rpm)600 ± 50Time( M )SolidWeight( g )Include

공학/기술| 2000.10.30| 6페이지| 1,000원| 조회(683)

활성탄, 고체, 고체의건조, 건조

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인도페놀법을 이용한 암모니아의 농도측정 평가B괜찮아요

인도페놀법을 이용한 암모니아의 농도측정1. 실험 목적시료중의 암모늄이온이 차아염소산의 공존아래에서 페놀과 반응하여 생성하는 인도 페놀의 청색을 파장 640㎚의 흡광광도로 측정해 보는 것이 본 실험의 목적이다.2. 이 론인도페놀법은 분석용 시료용액에 페놀-니트로프루시드 나트륨용액과 차아염소산 나트륨용액을 가하고 암모늄이온과 반응하여 생성하는 인도페놀류의 흡광도를 측정하여 암모니아(NH_3)를 정량한다. 이 방법은 시료채취량 20 L인 경우 시료중의 암모니아의 농도가 1ppm이상인 것의 분석에 적합하다. 또한 암모니아의 농도가 10ppm이상인 것에 대해서는 가스채취량을 줄이던가 또는 분석용 시료용액을 흡수액으로 적당히 묽게 하여 분석한다.시료중의 암모늄이온이 차아염소산의 공존아래에서 페놀과 반응하여 생성하는 인도 페놀의 청색을 파장 630㎚의 흡광광도로 측정하는 방법이다. 이 방법은 가열에 의하여 반응이 촉진되지만 재현성이 떨어지므로 반응촉진제로서 니트로푸르지드 나트륨을 첨가하여 상온에서 반응시킨다. 이 결과 재현성이 좋고 감도도 네슬러법보다 뛰어나다. 또한 해수중의NH_3 - N도 직접 정량 할 수 있다.정 량 범 위 : 0.002 ∼ 0.04㎎NH_3 - N표준 편차율 : 2 ∼ 10 %3. 실험 방법3.1. 시 약1 암모니아성질소 표준원액(0.1mgNH_3 - N/mL)염화암모늄(NH_4 Cl)을 황산데시케이터에서 4시간 이상 건조0.3819 g을 물에 녹여 전량을 1 L로 한다.이 용액 1 mL = 암모니아성질소 0.1 mg 함유2 암모니아성질소 표준용액(0.005mg-N/mL) - 사용시 제조암모니아성질소 표준원액(0.1mg - N / mL) 25ml를물에 녹여 전량을 0.5 L(20배 희석)로 한다.이용액 1 mL = 암모니아성질소 0.005 mg을 함유3 페놀-니트로프루시드 나트륨용액 - 1개월 이내 사용페놀(C_6 H_5 OH) 5g 및 니트로프루시드 나트륨(Na_2 [Fe(CN_5 )NO]·2H_2 O) 25 mg 단다.이것을 증류수에 녹여 500 ml로 한다.냉암소에 보관4 차아염소산 나트륨용액 - 사용시 제조차아염소산나트륨용액울 유효염소 농도를 측정하여유효염소로서 1 g에 해당하는 mL 수를 취한다.증류수에 녹여 1 L로 한다. (사용시 제조)※ 유효염소 농도 측정NaOCl(10∼20 %)을 10 mL를 200 mL 용량플라스크에넣고 물을 넣어 표선을 채운다이 액 10 mL를 취해 삼각플라스크에 넣고 물을 넣어약 100 mL로 한다.요오드화칼륨 1∼2 g을 넣는다.초산(1+1) 6 mL를 넣는다.밀봉한다.암소에 5분간 방치녹말을 넣는다.0.05NNa_2 S_2 O_3용액으로 적정유효염소량{}( W over V{}%){}=a{}×{}f{}×{}( 200 over 10 ){}×{}( 1 over V ){}×{}0.001773{}×{}100a : 0.05N 티오황산나트륨용액의 소비량 (㎖)f : 0.05N티오황산나트륨용액의 역가V : 차아염소산나트륨 용액을 취한 양 (㎖)3.2. 전처리 - 인도페놀법- 시료가 탁하거나 착색물질 등의 방해물질이 함유되어 있는 경우 적용1 시료 적당량(암모니아성 질소로서 0.03 ㎎이상 함유량)을 취한다.2 수산화나트륨용액(4W over V %) 또는 황산(1 + 35)으로 중화3 증류플라스크에 옮긴다.4 산화마그네슘 0.3 g과 비등석 수개를 넣는다.산화마그네슘 대신NaOH(10 %)용액 1 mL 가해도 된다.이와 같이 알칼리성에서 증류하면 여러 방해물질이 침전되고유기물이 고온에서 가수분해되어 암모니아가 발생한다.5 물을 넣어 액량을 약 350 mL로 한다.수기는 200 mL 용량의 메스실린더에 0.05N황산용액 50 mL를 넣는다.암모니아성 증류장치를 조립가열하여 5∼7 mL/min의 유출속도로 증류냉각관의 끝은 통상 액면 아래 약 15mm를 유지하도록 넣는다.수기의 액량이 약 150 mL가 되면 증류를 중지냉각관을 증류플라스크와 분리냉각관의 내부를 소량의 물로 씻어서 수기에 합한다.물을 넣어 200㎖로 한다.3.3. 분석방법1 분석용 시료용액과 암모니아 표준액 10 ml씩을 유리마개가 있는시험관에 취한다.2 여기에 페놀-니트로프루시드 나트륨 용액 5ml 씩을 가하고 잘흔들어 준다.3 차아염소산 나트륨용액 5ml 씩을 가한 다음 흔들어 썩는다.4 용액을 25∼30℃에서 1시간 방치한 다음 셀에 적당량을 옮긴다.5 페놀과 반응하여 생성하는 인도 페놀의 청색을 파장 630㎚의

공학/기술| 2000.10.30| 6페이지| 1,000원| 조회(2,168)

암모니아, 농도, 인도페놀

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