[IoT] 반도체 기초

<반도체 원리>
진성반도체
외부로부터 불순물을 첨가하지 않고 순전히 반도체 원자로만 구성된 반도체

외인성반도체
진성반도체만으로는 반도체 소자나 광센서를 만들 수 없다.
따라서 진성반도체에 특정 불순물을 고의로 첨가하는데 이를 외인성 반도체 또는 불순물 반도체라고 한다.
첨가되는 불순물의 종류에 따라 n형 반도체와 p형 반도체가 있다.

n형 반도체
si 원자는 4개의 가전자를 가진다.
si 결정 내 5가 원소를 첨가하면, 4개의 원자는 공유결합을 형성하고 한 개의 원자가 남는다.
이때 원자의 결합이 느슨해져 자유전자로 된다.
따라서 5가 불순물을 첨가하면, si 결정 내 자유전자 농도가 증가하고 전기전도도가 증가한다.

p형 반도체
si 결정 내 3가 원소를 첨가하려는 경우, 4개의 원자는 공유결합을 형성하려면 한 개의 원자가 부족하다.
이때 가전자의 자리가 부족한 것을 정공이라고 한다.
따라서 3가 불순물을 첨가하면, si 결정 내 정공들이 자유롭게 이동하여 정공 농도가 증가하고 전기전도도가 증가한다.

IoT 개념
각종 사물에 센서와 통신 기능으로 인터넷과 연결하는 것
즉 유무선 통신 기능으로 사물을 연결하는 기능
사물이란 가전제품, 모바일장비 등 임베디드 시스템을 말한다.
각종 사물인터넷과 연결되는 사물은 자신을 구별할 수 있는 유일한 IP를 가지고 있어야하며, 외부로부터 데이터 취득을 위한 센서를 내장할 수 있다.

센서
외부자극을 받아 전기신호로 변환하는 소자
외부자극이란 검출, 측정하고자 하는 양. 특성 또는 상태를 말한다.
정보를 추출하여 전기신호로 변환..
전기신호로 변환하는 이유는 미분, 필터링, 귀환, 처리 등 신호 처리가 용이하고 물리적으로 멀리 떨어져있는 장소까지 정보를 전송하기 위함이다.

트랜스두서
한 에너지형태(신호)를 다른 에너지 형태로 변환하는 것
및 정보처리 시스템
센서는 비전기적 양을 전기신호로 변환하는 입력 트랜스두서
액추에이터는 전기신호를 다른 에너지형태로 변환하는 출력 트랜스두서

지능형 센서
스마트센서 또는 인텔리전트 센서를 말한다.
센서 기술과 컴퓨터 기술의 결합으로 지능을 가진 센서를 의미한다
스마트센서와 인텔리전트센서를 //적으로 분류하지만 지능을 가진 센서라는 점에서 동일하다.
지능을 갖춘 센서에 필요한 기능
- 새로운 데이터 취득, 처리, 저장: 피측정량을 측정하고 연산, 통계적 처리를 하여 그 결과를 메모리에 저장한다.
- 의사결정 기능: 필요한 데이터를 스스로 결정한다.
- 통신 기능: 다른 센서들과 대화기능(정보 교환 기능)
- 자가진단기능: 스스로를 테스트
- 자기보상기능: 외부파라미터의 변화를 자동으로 보상
스마트센서는 마이크로 컨트롤러(프로세스)에 의해 실현되기 때문에

광센서
광에너지나 광자(적외선 스펙트럼에서 자외선 스펙트럼 범위)를 전기신호로 변환하는 광 전자기이다.
광센서는 입력 광 에너지에 대응하는 에너지를 갖는 전기적 출력 신호를 생성한다.

광센서 원리(광전효과)
반도체에 광에너지나 광자 금속 표면에 충격을 받으면 금속의 자유전자가 여기되어 튀어나와
전자 흐름이나 전류가 발생하게 된다.
생성되는 전류의 양은 광자의 에너지(빛의 파장)이다.
머시기.. 전자가 방출되어 빛의 금속 결합을 끊기 위해

광센서 원리(광도전효과)
빛을 조사하면 가전자대에 있는 전자가 에너지를 얻어 전자대로 천이하여 전자-정공쌍이 생성된다. 이를 통해 전기전도도가 증가하는 것을 광도전 효과라고 한다.

포토다이오드
빛 에너지를 전기 신호로 변환하는 다이오드를 지칭한다.
포토다이오드는 반도체의 pn접합부에
광 센서는 가시광선 또는 자외선 스펙트럼에 비해 적색 또는 적외선 스펙트럼에 속하는 빛과 같이 파장이 긴 빛에 더 민감하다.
실리콘이나 게르마늄이 일반적인 재료로 사용된다.
적외선에 민감하기 때문에 의학 분야 등 다양한 분야에서 응용 분야로 사용된다.

포토다이오드 종류
PIN 포토다이오드
PN 포토다이오드
APD

포토다이오드 원리
n형 실리콘 단결 정의 표면에 p형 불순물(주로 보론 사용)을 선택 확장하여 광을 조사하여 전류 또는 전압을 발생시키는 것이다.
빛을 p층 방향에서 조사하면 공핍층에서 전자-정공쌍이 생성되어, 광기전력이 발생하고 외부회로를 통해 전기 신호가 발생한다.


포토트랜지스터
증폭이 있는 광 다이오드
휴대폰이나 자동차에 널리 사용된다.

포토IC
빛이 있는 직접회로
즉, 광 직접회로를 의미하며

포토인터럽터?
포토인터럽터 투광 센서는 발광소자와 수광소자를 한 개의 패키지에 마주보도록 배열하고 그 사이를 검출물이 통과할 때 빛이 차단되는 현상을 통해 검출물의 유무를 확인하는 광 스위치이다.

적외선이란
0.75~1000 범위의 파장을 갖는 전자파로 구성되며,
넓은 파장으로 특정 파장 대역폭을 세분화하여 다른 이름으로 부르기도 한다.
사람이 눈으로 볼 수 없는 파장을 가진다.
파장이 길다.
에너지가 작다.


적외선 센서
적외선을 이용하여 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량과 화학량을 이용?하여..
물체를.. 하여 전기량을 검출하는

적외선 센서의 종류와 분류
양자형 적외선 센서
반도체 물질로 구성되어 있다.
원리는 적외선이 입사되면, 반도체 내부에서 전자-정공쌍이 여기되어 변화하는 전류, 전압을 발생한다.
원거리 관측이나 미세한 온도조절이 필요한 의료장비에 사용된다.

장단점
장
1.
2. 응답 속도가 매우 빠르고 감도가 좋다.
단
1. 여기되어
냉각 장치가 필요하다.

열 적외선 센서

단
1. 응답 속도가 느리고 감도가 낮음