<문제>
다음은 p-n 접합 다이오드의 특성을 알아보는 실험이다. 실험 과정 및 결과는 다음과 같다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
(가) 그림과 같이 전압이 V0으로 같은 직류 전원 2개, p-n 접합 다이오드, 저항, 스위치 S, 전압계, 전류계로 회로를 구성한다. X는 p형 반도체와 n형 반도체 중 하나이다.
(나) S를 a 또는 b에 연결하고, 전압계와 전류계로 다이오드 양단에 걸리는 전압 V와 저항에 흐르는 전류의 세기 I를 각각 측정한다.
<보기>
ㄱ. X는 p형 반도체이다.
ㄴ. S를 a에 연결하면 다이오드에는 순방향 전압이 걸린다.
ㄷ. S를 b에 연결하면 X에서 양공은 p-n 접합면에서 멀어진다.
<선택지>
① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
[풀이]
딱 봤을 때 좀 짜증스러운 건 불확실성이다. X가 p인지 n인지 모른단다. 다만 이 문제는 아주 쉽다. 우선 전기 회로를 해석할 때 알아 두면 매우 유용한 사실이 두 가지에 대해 짚고 넘어가고 싶다.
- 전압계는 저항이 무한대
- 전류계는 저항이 0
저항이 무한대라는 것은 선이 끊어져 있다는 뜻이고.
저항이 0이라는 건 전선으로 연결되어 있다는 뜻이다.
이 사실을 적용해서 위 회로를 고쳐 그려 보면 다음과 같이 변한다.
전압계는 삭제되었고, 전류계는 전선으로 연결되었다.
이제 실험 결과를 보자.
스위치를 a에 연결하면 전류가 안흐르고, b에 연결하니 전류가 흘렀다.
그럼 X는 p라야 한다. 이제 그림을 다시 그려 보자.
조건 (ㄱ)을 보자.
맞다.
조건 (ㄴ)을 보자.
거짓이다. S를 a에 연결하면 전류가 흐르지 않았다.
조건 (ㄷ)는?
거짓이다. 전류가 흐를려면 양공과 반대편의 전자가 접합면으로 모여야 한다.
따라서 답은 1번.
[에필로그]
참 싱겁게도 풀렸다.
솔직이 이 문제는 이것보다 어려울 줄 알았다.
그래서 전압계와 전류계를 회로에서 지운 뒤, 다이오드와 저항이 연결된 회로 상단의 가로선을 화면에서 독자의 얼굴 쪽으로 들어 올렸을 때 전체 회로의 topology(연결상태?)가 일종의 대칭성을 갖고 있다는 것을 전달하고 싶었다. 그럼 혹시라도 계산이 필요한 문제였을 때 스위치 a/b 반도체 종류 p/n 으로 만들어 지는 4개의 문제 공간을 탐색할 필요 없이, 단 하나의 조합에 대한 풀이 결과를 재활용해서 나머지 3가지 조합에 대한 결과도 공짜로 만들어낼 수 있다는 것을 보이고 싶었다.
다음에 그런 문제가 나오면 그 때는 전기 회로를 풀 때 대칭성이 얼마나 유용한 지 알려주고 싶다.
[출처: 2026년 7월 모평/모의고사 고3 물리1 11번]