[PSAT 기출] 2023 국가직 7급 언어논리 인책형 19번 해설 – 반도체 정공 전자 내부 양자효율 외부 양자효율 불순물 함유율 굴절률

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2 문제
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개요

다음은 2023년도 국가직 7급 PSAT 언어논리영역 인책형 19번 문제 해설이다.

문제

19. 다음 글의 <실험>의 결과를 가장 잘 설명하는 것은?

소자 X는 전류가 흐르게 되면 빛을 발생시키는 반도체 소자로, p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 구조를 가지고 있다. X에 전류가 흐르게 되면, p형 반도체 부분에 정공이 주입되고 n형 반도체 부분에 전자가 주입된다. 이때 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 부분에서는 정공과 전자가 서로 만나 광자, 즉 빛이 발생한다. 그런데 X에 주입되는 모든 정공과 전자가 빛을 발생시키지는 않는다. 어떤 정공과 전자는 서로 만나지 못하기도 하고, 어떤 정공과 전자는 서로 만나더라도 빛을 발생시키지 못한다. 내부 양자효율은 주입된 정공－전자 쌍 중 광자로 변환된 것의 비율을 의미한다. 예를 들어, X에 정공－전자 100쌍이 주입되었을 때 이 소자 내부에서 60개의 광자가 발생하였다면, 내부 양자효율은 0.6으로 계산된다. 이는 X의 성능을 나타내는 중요한 지표 중 하나로, X의 불순물 함유율에 의해서만 결정되고, 불순물 함유율이 낮을수록 내부 양자효율은 높아진다.

X의 성능을 나타내는 또 하나의 지표로 외부 양자효율이 있다. 외부 양자효율은 X 내에서 발생한 광자가 X 외부로 방출되는 정도와 관련된 지표이다. X 내에서 발생한 광자가 X를 벗어나는 과정에서 일부는 반사되어 외부로 나가지 못한다. X 내에서 발생한 광자 중 X 외부로 벗어난 광자의 비율이 외부 양자효율로, 예를 들어 X 내에서 발생한 광자가 100개인데 40개의 광자만이 X 외부로 방출되었다면, 외부 양자효율은 0.4인 것이다. 외부 양자효율은 X의 굴절률에 의해서만 결정되며, 굴절률이 클수록 외부 양자효율은 낮아진다. 같은 개수의 정공－전자 쌍이 주입될 경우, X에서 방출되는 광자의 개수는 외부 양자효율과 내부 양자효율을 곱한 값이 클수록 많아진다.

한 연구자는 X의 세 종류 A, B, C에 대해 다음과 같은 실험을 수행하였다. A와 B의 굴절률은 서로 같았지만, 모두 C의 굴절률보다는 작았다.

<실 험>

같은 개수의 정공－전자 쌍이 주입되는 회로에 A, B, C를 각각 연결하고 방출되는 광자의 개수를 측정하였다. 실험 결과, 방출되는 광자의 개수는 A가 가장 많았고 B와 C는 같았다.

① 불순물 함유율은 B가 가장 높고, A가 가장 낮다.

② 불순물 함유율은 C가 가장 높고, A가 가장 낮다.

③ 내부 양자효율은 C가 가장 높고, A가 가장 낮다.

④ 내부 양자효율은 A가 B보다 높고, C가 B보다 높다.

⑤ 내부 양자효율은 C가 A보다 높고, C가 B보다 높다.

출처: 사이버국가고시센터

문제 해설

내부 양자효율: 주입된 정공－전자 쌍 중 광자로 변환된 것의 비율. 불순물 함유율에 의해서만 결정되고, 불순물 함유율이 낮을수록 내부 양자효율은 높아짐.

외부 양자효율: X 내에서 발생한 광자 중 X 외부로 벗어난 광자의 비율. X의 굴절률에 의해서만 결정되며, 굴절률이 클수록 외부 양자효율은 낮아짐.

같은 개수의 정공－전자 쌍이 주입될 경우, X에서 방출되는 광자의 개수는 외부 양자효율과 내부 양자효율을 곱한 값이 클수록 많아짐.

A와 B의 굴절률은 서로 같았지만, 모두 C의 굴절률보다는 작았다.

<실험 결과>

방출되는 광자의 개수는 A가 가장 많았고 B와 C는 같았다.

A와 B의 굴절률이 같기 때문에 A와 B의 외부 양자효율은 같고, C는 A와 B보다 외부 양자효율이 낮다.

방출되는 광자의 개수는 A가 가장 많았기 때문에 내부 양자효율은 A가 B보다 높다. 왜냐하면 방출되는 광자의 개수는 [외부×내부]의 값이 클수록 많아지는데 A가 B보다 더 많다는 뜻은 외부 양자효율이 같다면 내부 양자효율이 더 높다는 뜻이기 때문이다. 따라서 불순물 함유율은 A가 B보다 낮다.

내부 양자효율: A > B
불순물 함유율: A < B

B와 C의 방출되는 광자의 개수는 같다. 따라서 내부 양자효율은 C가 B보다 높다. 왜냐하면 외부 양자효율은 B가 C보다 높은데, 방출되는 광자의 개수가 같다면 B와 C의 [외부×내부]이 같다는 뜻이므로 내부 양자효율은 C가 B보다 높아야 한다.

내부 양자효율: C > B
불순물 함유율: C < B

① 불순물 함유율은 B가 가장 높고, A가 가장 낮다.

불순물 함유율은 B가 A, C보다 높기 때문에 가장 높은 것은 맞지만, A가 가장 낮은지는 확인할 수 없다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

② 불순물 함유율은 C가 가장 높고, A가 가장 낮다.

불순물 함유율은 B가 가장 높다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

③ 내부 양자효율은 C가 가장 높고, A가 가장 낮다.

내부 양자효율은 C가 가장 높은지는 확인할 수 없다. 또한 A보다 B가 낮다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

④ 내부 양자효율은 A가 B보다 높고, C가 B보다 높다.

보기의 내용은 옳다.

⑤ 내부 양자효율은 C가 A보다 높고, C가 B보다 높다.

내부 양자효율은 C가 A보다 높은지는 확인할 수 없다. C가 B보다 높은 것은 맞다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

정답은 ④번이다.

개요

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