2023. 11. 2. 00:00ㆍ전기자료/전기궁금증.정보
전력전자 소재 SCR(Semiconductor Control Rectifier) 원리
SCR(Semiconductor Control Rectifier)의 원리에 대해서 제가 물리적인 개념으로 정리한 글입니다.
SCR은 위의 약자를 해석해 보면 "반도체(半導體) 제어(制御) 정류소자(整流素資)"입니다. 지금까지 역사상 가장 창조적인 과학자이며 발명가 였던 에디슨이 창업한 회사가 모태가 되어 지금까지 세계 최고수준의 기술력을 보유한 회사로 유지되고 이는 GE(General Electric CO.) 즉 제너럴 엘렉트릭사에서 개발하여 SCR이라고 명명 함으로서 지금까지 "SCR"이라고 불리고 있는 반도체 소자 입니다.
당초에 개발 되었을 때에는 실리콘(Silicon)반도체 이외에 게르마늄반도체로도 제작이 되었지만 역내압이 낮다는 단점 때문에 게르마늄반도체로 만든 것은 실용화가 못돼고 실리콘 반도체로 만든것이 범용되게 되었죠! 그래서 SCR을 Silicon Control Rectifier의 약자라고 하는 사람도 있습니다. 맞는 말이기도 하구요!
자 그럼 SCR에 대해서 본격적으로 알아보기로 합시다.
반도체라고 하는 것은 글자 그대로 반정도 도체라는 뜻 입니다.
완전한 도체도 아니고 완전한 부도체도 아닌 물질을 이야기 하는 것이죠!
경우에 따라서는 도체도 되었다가 부도체도 되는 성질을 가지고 있는 물질이죠.
사람으로 비유하면 완전한 남성도 아니고 완전안 여성도 아닌 중성인 또는 양성인(실제로 있답니다...)과 같은 존재라고 할 수 있죠!
전류의 흐름은 도체를 구성하는 원자의 최외곽 전자궤도에 위치한 자유전자(원자핵의 양성자에 강하게 구속되지 않은 상태의 전자)의 작용으로 일어난다는 것을 먼저 생각을 하십시다.
자연계의 재미있는 원리중의 하나가 있는데 물질을 구성하는 원자는 원자핵과 원자핵둘레를 무지하게 빠른속도로 각자의 궤도에서 불규칙하게(확률궤도함수로만 위치 추정가능) 공전및 자전하고 있는 전자의 갯수가 최외곽 전자가 8개가 돼었을 때 가장 안정이 됩니다.(단, 헬륨의 경우는 예외로서 2개로서 안정됨)
N형 반도체는 원자의 최외곽전자(이제부터 원자가 전자 라고 합시다)의 수가 4개가 돼는 반도체에 원자가 전자가 5개인 물질(인, 비소, 안티몬...)을 합성(도핑)하여 원자가 전자가 9개가 되도록 만든 반도체 입니다.
그래서 N형 반도체에는 원자가 전자가 9개가 되어 한개를 버려야 8개로 안정이 되므로 항상 전자한개를 버리려고 하는 성질을 띠게 됩니다.
기회만 있으면 원자가전자 9개중에서 한개를 떼어버릴려고 노력하는 성질로 도체가 됩니다.(왕따 전자 1개가 움직여서 전기전달)
반면에 P형 반도체는 원자가 전자가 4개인 반도체에 원자가 전자가 3개인 물질을 합성하여 원자가 전자가 도합 7개가 된 물질입니다.
여기서는 안정을 이루려면 한개의 전자를 더 받아들여서 8개가 되어야 하겠죠!
그래서 전자를 항상 하나더 받아들여서 안정을 이루려고 노력을 하고 있죠.
이 노력에 의해서 도체가 됩니다(한개의 전자를 받아들이려고 하는 자리(정공)가 전기전달)
위에서 제가 이야기한 P형과 N형 반도체의 성격을 잘 이해 하셨으면 P(POSITIVE)형은 -극성의 전압이 걸렸을때 좋아할 것이고, N(NEGATIVE)형은 +극성의 전압이 인가 되었을 때 좋아할 것이라는 것이 짐작이 되시나요?
그런 짐작이 가신다면 반도체의 기본원리에 대해서 완벽하게 이해하실 수 있습니다.
그런 짐작이 안가시는 분은 왜 그럴지 한번 생각을 곰곰히 해 보십시요!
생각을 해보신후 다음글을 읽으십시요...
..............................
계속할까요!.
왜 N형 반도체가 양극을 좋아하느냐믄 양극은 항상 전자를 끌어당기는 쪽 입니다.
즉 정공(+전하를 띤 일종의 전자받이)을 많이 가지고 있는 쪽입니다. 그러니 여분의 왕따전자 한개를 언제든지 떼어내어 버리려고 하던 N형 반도체는 +극만 만나면 얼씨구나하고 왕따전자를 보내버리고 전기적으로 그리고 화학적으로 안정(옥테트-OCTET)상태로 돌아 갑니다.
반대로 P형 반도체는 -극에서 전자한개를 받아서 안정상태로 되겠죠!
위의 내용이 P,N반도체 원리의 전부 입니다.
인류의 전기전자 문명이 이렇게 발달하고 있는 가장 혁명적인 발명품이 뭔지 혹시 아시는지요?
.................그 것은 바로 트랜지스터(TR)의 발명으로 인함입니다.
현재의 복잡다난한 집적회로나 RAM들은 이 트랜지스터의 조합입니다.
최소의 면적에 최대의 트랜지스터 조합을 이루는 것이 반도체 기술의 경쟁이고 핵심입니다.
제가 왜 트랜지스터 이야기를 하는가 하면 바로 트랜지스트가 P,N반도체의 조합으로 만들어지고 처음 이야기 했던 SCR도 그 P,N반도체를 이용해서 만든 일종의 트랜지스터 이기 때문입니다.
트랜지스터의 기본은 다이오드 입니다.
교류전류를 직류로 정류해주는 다이오드의 원리에 대해서 먼저 알아야 이해가 가능합니다.
위에서 제가 이야기한 N형과 P형의 반도체를 일정크기로 잘라서 두개를 접합했다고 생각을 해 봅시다.
백설기를 생각합시다.
백설기 두개를 포개어 놓은 모양을 생각하십시요. 위에 얹은 하나는 N형 반도체이고 아래에 놓인 하나는 P형 반도체 입니다.
그리고 위쪽에 +극을 연결하고 아래쪽에 -극을 연결한 모습을 생각해 보세요
위쪽의 N 반도체에 있던 잉여전자(-성질)들은 위쪽에 인가된 +극 쪽으로 모일 것이고, 아래쪽 P형 방도체에 있던 정공(+성질)
들은 아래쪽에 인가된 -극 쪽으로 모일 것입니다.
그렇게 되면 PN접합 반도체의 위쪽에는 전자들이 몰려있고, 아래쪽에는 정공들이 몰려 있어 가운데 부분이 전기를 전달해 줄 매개체가 없어져 버립니다.
그래서 전류가 도통하지 않는 부도체가 되어져 버리는 것이지요!
상기의 접합 반도체에 외부인가 전압의 극성을 반대쪽으로 접속하는 경우를 생각해 봅시다.
위쪽에 인가된 -극성은 위쪽의 반도체 N형의 잉여 전자들을 밀어내게 되고 아래쪽의 P형 반도체의 정공들을 끌어당기게 되겠죠!
아래쪽에 인가된 +극성은 아래쪽의 반도체 P형의 정공들을 밀어내게 되고 위쪽의 N형 반도체의 잉여전자들을 끌어당기게 되겠죠!
즉 PN접합 반도체의 정공과 잉여전자가 전기전달의 매개체가 되어져서 아주 전류가 잘 흐르는 도체가 되어지게 됩니다.
인간세상에도 서로같은 개성을 가진 사람들의 모임 보다는 서로 다른 개성을 가진사람들의 절묘한 조합이 엄청난 창조력을 발휘하곤 합니다.
반도체가 물질계에서 그러한 형태의 예가 되겠죠.
이 반도체에 한국의 상용주파수인 60[Hz]의 교류 전압을 인가한다고 생각을 해 봅시다. 오실로스코프로 입력전원을 모니터 하면 1초당 60회의 정현파곡선이 나타나게 됩니다. 그러나 출력측을 모니터해 보면 XY축에서 X축(시간)을 기준으로 위쪽 또는 아래쪽의 반주기 파형은 사라진 반파정류 파형 60개를 얻게 됩니다.(아래쪽 위쪽은 PN반도체 접속방향에서 결정 됨)
이 것이 단순한 다이오드 회로 입니다.
그런데 이 다이오드를 브릿지형태로 접속하여 브릿지 정류회로를 만들면 사라졌던 반파 60개도 정류해서 X축 기준으로 한곳으로 모아진 1초당 120개의 반파정류 파형을 얻을 수 있습니다.(브릿지 정류회로가 뭔지 모르는 분이 있으면 전기전자사전을 찾아서 회로구성도를 한번만 보시면 이해가 되실 겝니다)
이제 어느정도 기본준비가 되었으니 인류 문명의 혁신을 가져왔고 또 지금도 혁신해 가고 있는 트랜지스터는 무었인지 같이 알아 봅시다.
트랜지스트는 위의 NP또는 PN접합 반도체로 구성된 다이오드에 반도체 하나를 더 합성해서 PNP 또는 NPN형태의 3층 백설기를 만든 것 입니다.
이 삼층 백설기가 엄청난 마술을 부리게 되는데 이 마술을 기본적으로 이용한 것이 현대 전자문명 이랍니다.
앞에서 제가 이야기한 다이오드의 원리는 물질을 구성하는 최소단위(지금까지 인류가 발견한 기준으로)인 원자의 정공과 전자에 의한 것이라는 이해가 되셨을 줄 압니다. 트랜지스트는 이러한 다이오드의 가운데에 또다른 반도체를 삽입한 것으로 가운데 삽입한 반도체가 양쪽에 있는 반도체가 가운데 반도체를 통과하여 전류를 도통하게끔 허용하는 방아쇠역할을 할 수 있도록 구성 되어집니다.
이를 이용해서 약한 신호를 증폭할 수가 있지요! 방아쇠신호로 들어가는 전력이 1개라고 할 때 그 방아쇠로 인해서 도통되는 전력은 10개 100개도 될수가 있답니다.
결국 방아쇠 신호와 같은 형태의 전력이 10배 100배로 증폭이 되는 것이지요.
인간 세상에서도 어떤 역사적 대형사건이 발생할 때 그 계기가 되는 방아쇠역할을 하는 사건들이 있죠...!
자 다시 물질계로 돌아 옵시다.
이 원리는 그림을 보셔야 이해가 쉬운 내용이기도 하고 앞에서 제가 이야기한 P,N형 반도체의 특성을 이해하고 다이오드의 원리를 알면 충분히 이해할 수 있는 내용이니 전기전자사전을 한번 찾아 보시는 노력을 하시기 바랍니다.
자신이 완벽하게 이해할 수 있는 알짜지식은 쉽게 얻어지는게 아니니까요.
그러면 처음 이 이야기를 시작하게 되었던 SCR에 대해서 다시 이야기를 하도록 합시다.
SCR은 일종의 복합 트랜지스터 입니다.
즉 P,N반도체를 적어도 세겹이상 접합한 형태이 반도체로서 단자가 3개가 있는데, 양극(애노드), 음극(캐소드), 그리고 방아쇠(게이트)가 있습니다.
방아쇠 신호에 의해서 교류를 정류하는데 이 SCR을 이용해서(게이트 신호를 주는 시간을 절묘하게 조합) 3상교류를 3상 전파정류할 수도 있고, 여러가지 전기전자회로에서 응용할 수 있는데 특히 전력제어에서는 필수적으로 필요한 소자 입니다.
제 글이 반도체에 대해서 이해하시는데 조금이나마 도움이 돼시길 빌며, 앞으로는 우리 전기인들도 반도체를 모르고는 전기 기술자 행세를 하기가 어려운 시대가 이미 도래 하였으니 전자소자에 대한 학습도 필수적이라 생각이 됩니다.
(이미 제대로된 설계사에서 설계하는 조그마한 건물하나도 IBS(인텔리젼트빌딩시스템=지능형건물제어설비)가 도입 돼어져 조명,보안,방송,공조,전력제어...설비들이 자동화 SYSTEM으로 구성이 되고 있습니다)
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