2022.10.20 - [전자공학/반도체 이론] - 반도체 물성과 소자) 5. 캐리어 이동 현상(GaAs가 Si보다 빠른 이유)
저번 포스팅에서 캐리어의 이동에 대해서 설명을 해드렸습니다. 캐리어 이동 현상은 drift 전류와 확산 전류로 나뉘었죠.
2022.10.19 - [전자공학/반도체 이론] - 반도체 물성과 소자) 4. 평형 상태의 반도체(p형과 n형 도핑 원소를 왜 B(붕소), P(인)을 사용할까?)
위 포스팅에서 평형 상태의 반도체에 대해서 설명을 해드렸습니다.
평형 상태에서 전자 농도, 정공 농도를 페르미 디락 확률 함수와 상태 밀도 함수의 곱을 통해 구할 수 있었죠.
평형 상태는 '에너지적으로 변화가 없는 상태'를 말합니다.
태양 전지 같은 경우는 태양광을 통해 전류가 형성됩니다. 즉, 에너지적으로 변화가 없는 평형 상태가 아니지요.
오늘은 비평형 상태의 반도체에 대해서 설명을 해드리겠습니다.
1. 반도체의 비평형 상태
비평형 상태의 반도체는 에너지적으로 변화가 있는 상태의 반도체입니다.
반도체의 비평형 조건은 크게 두 가지로 분류됩니다.
1. 반도체 소자에 '전압'이 인가되는 경우입니다.
2. 빛 등의 외부 에너지로 인해 전도대의 전자 농도, 가전자대의 정공 농도가 달라져 열평형 상태에서의 농도보다 높은 경우입니다.
2. 캐리어 생성, 재결합, 수명
비평형 상태를 알기 위해 캐리어 생성과 재결합의 개념을 먼저 잡고 가야 합니다.
비평형 상태의 반도체에서는 평형 상태의 반도체와 다르게 외부 에너지가 인가됩니다.
생성 : 전도대 전자와 가전자대의 정공이 생성이 되는 단계입니다. 전자-정공 쌍이 생성되는 단계입니다.
재결합 : 생성된 전자와 정공들이 결합을 하여 소멸되는 단계입니다.
수명 : 생성 후 재결합이 되어 소멸되기까지의 시간을 의미합니다.
열 평형 상태인 경우, 재결합률 = 생성률이므로, 전하의 농도는 항상 일정합니다.
외부 에너지에 의해 생성되는 전자 및 정공 생성률은 동일합니다. 전자가 생기면 정공도 생기니까요.
생성된 전자를 과잉 전자, 생성된 정공을 과잉 정공이라고 합니다.
전체 전자 농도에서 열평형상태의 전자 농도를 빼면 과잉 전자 값이 나오겠지요.
아까 비평형 상태의 조건에 대해서 설명을 해드렸습니다.
빛 등의 외부 에너지로 인해 전도대의 전자 농도, 가전자대의 정공 농도가 달라져 열평형 상태에서의 농도보다 높은 상황이었지요.
반도체에 인가되는 에너지가 커 EHP(전자, 정공 쌍)가 많이 생성되면 전자 농도 & 정공 농도가 열 평형 상태에서의 전자 정공 농도보다 높아지게 됩니다. 즉, 비평형 상태가 되는 거지요.
3. 과잉 캐리어 특성
과잉 전자, 정공은 독립적으로 움직이지 않고, 동일한 유효 확산 계수, 유효 이동도를 가지고 diffusion, drift 거동을 나타냅니다. 이를 Ambipolar Transport라고 합니다.
아래처럼, 실제 반도체의 과잉 캐리어는 점점 감소하면서 사라짐을 알 수 있습니다.
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