11. CPU 구조 및 논리회로, 전자회로 재정리 (1)

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CPU

- Central Processing Unit

- 중앙 처리 장치

- 기억, 해석, 연산, 제어 수행

 

CPU와 RAM은 반도체로 구성됩니다

 

- 도체 : 비저항이 작아 전기가 잘 통하는 물체

- 부도체 : 비저항이 높아 전기가 잘 통하지 않는 물체

- 반도체 : 도체와 부도체의 중간 정도로 전기가 통하는 물체

 

 

반도체는 주로 실리콘으로 구성

 

실리콘은 최 외각 전자가 4개

 

다른 실리콘 원자들과 전자를 공유하며 단단하게 결합됨

 

 

원자는 최 외각 전자가 8개 일 때 가장 안정적인 구조임

서로 안정적으로 단단하게 결합되어 있으면 전자가 이동하지 않음 => 전류가 흐르지 않음

 

즉, 순수한 실리콘은 전류가 통하기 어려움

 

때문에 실리콘보다 전자가 많거나 적은 원소를 첨가해 전류를 통하게 만들어줌

 

실리콘에 전자가 적은 원소를 첨가하면, 존재하는 전자들이 빈 곳으로 이동하며

전자의 이동 방향과 반대 방향으로 전류가 흐름

- 양공 : 양전하를 띈 구멍

 

실리콘에 전자가 한 개 많은 원소를 첨가하면, 남는 전자가 자유롭게 이동하며 전류가 흐름

 

전자가 많은 원소는 P(positive) 형 반도체

전자가 적은 원소는 N(negative) 형 반도체

 

P형과 N형 반도체 둘을 연결하면 N형의 남는 전자가

P형의 양공에 끌려 결합하게 됨

 

중성 상태로 시작한 P형 반도체 중 전자와 결합된 원자는 음전하가 됨

일정 순간부터 음전하 벽이 생겨 더 이상 전자가 넘어오지 못함

 

중성 상태로 시작한 N형 반도체 중 전자를 잃은 원자는 양전하가 되며

일정 순간부터 양전하 벽이 생겨 양공이 넘어오지 못함

 

이동 가능한 전자들이 없어지고 이를 공핍 영역이라 함

 

공핍 영역 가장자리에 서로 다른 전하를 가진 면이 생기고

+에서 -로 전기장이 생성됨

 

여기서 전지를 위와 같이 연결하면

P형 반도체의 양공이 -극 쪽으로(<-)

N형 반도체의 전자가 +극 쪽으로(->)

이동하게 되고, 공핍 영역이 확대되어 전하의 이동이 없어짐

 

위와 같이 전지를 반대로 걸어주면

P형 반도체의 양공이 -극 쪽으로(->)

N형 반도체의 전자가 +극 쪽으로(<-)

이동하게 되고, 전류가 흐름

물론 전자가 이동하다가 중간에서 공핍 영역을 만나지만

인공적으로 걸어주는 전압이 강해 넘어갈 수 있음

 

즉, 전류가 흐르게 하려면 같은 전하를 가진 전압을 연결하면 됨! = 순방향 연결

전류가 흐르지 못하게 하려면 반대 전하로 전압을 연결하면됨! = 역방향 연결

 

P형 N형 P형을 결합하고 N형 반도체를 얇게 구성

p-n(왼쪽)에는 순방향

n-p(오른쪽)에는 역방향

방향으로 전압을 걸어줌

 

양공이 p-n의 순방향 부분에서만 움직이며

해당 부분에만 전류가 흐름

 

순방향의 전압을 키우면

n이 얇으므로

세기가 공핍 영역의 반발력을 이겨

n-p 영역까지 넘어가는 양공이 생김

 

순방향의 전압이 세지면서 p-n-p 영역을 이르러 전류가 흐르게 됨

역방향의 전압을 키우면 흐르는 전류의 양이 더 많아지게 됨

 

즉, 전압의 일정 세기에 따라

반도체에 전류가 흐르게 할 수도, 흐르지 않게 할 수도 있음

해당 방식으로 스위치 작용을 해주는 반도체를 트랜지스터라고 함

 

트랜지스터는 일반적으로 이렇게 생겼으며

PNP, NPN 종류가 있음