Intro
반도체 물성과 소자 1편 ~ 7편까지는 반도체에 대한 기본 물성들을 설명하였습니다.
'에너지 밴드갭이라는 것이 있고, n형은 페르미 준위가 위에, p형은 페르미 준위가 아래에 있다.'
이 정도만 해도 기업에서 원하는 반도체 기본 지식은 다 충족이 될 것이라고 생각합니다.
하지만 석사 수준부터는 '반도체 기본 지식'을 알아야 응용이 가능하기 때문에 1편 ~ 7편은 꼭 봐야 한다고 생각합니다.
기본 지식이 달라지면 그만큼 응용이 가능해지니까요.
8편 연재 시작, 반도체 소자에 대한 학문적 의견
이 8편부터는 꼭, 학부생들도 꼼꼼히 읽고 보셔야 합니다. 반도체 물성이 아닌, '반도체 소자' 쪽으로 내용이 바뀌기 때문이지요.
저는 한 면접에서 pn junction의 에너지 밴드갭을 그려본 경험이 있습니다.
(응용 편으로, GaN/InGaN LED pn HeteroJunction Energy band를 그려봤습니다.)
서론이 길었으니 빠르게 시작하겠습니다.
PN 접합의 기본 구조
PN 접합은, 말 그대로 p형 반도체와 n형 반도체가 합쳐진 것입니다.
p형에는 정공 농도(Na), n형에는 전자 농도(Nd)가 많습니다.
접합이 되면 어떻게 될까요?
전자는 정공 보러 달려가고, 정공은 전자 보러 달려갑니다.
대략적으로 그림을 그리면 이렇게 되겠죠.
n형의 다수 캐리어인 전자는 p 영역으로 확산하게 됩니다.
p형의 다수 캐리어인 정공은 n 영역으로 확산하게 됩니다.
이러한 확산 과정은 '전계'에 의해 평형상태가 되어 멈춰지게 되지요.
근데 갑자기 전계라니요?
n형의 donor 원자는 전자를 잃고 양이온이 됩니다.
p형의 acceptor 원자는 정공을 잃고 음이온이 됩니다.
이에 따라 내부에서 확산 방향과 반대 방향의 전계가 걸리게 됩니다.
확산과 전계가 같아질 때까지 확산하다가 멈춰지게 됩니다.
양이온, 음이온으로 꽉 차 유동 전하가 없는 영역을 공간 전하 영역이라고 합니다.
반도체는 대부분 '전압'으로 구동을 하는 소자입니다.
전압에 따라 에너지 밴드를 그리고, 간단하게 설명하는 시간을 갖도록 하겠습니다.
제로 인가 바이어스(No bias Voltage)
제로 인가 바이어스에서의 에너지 밴드입니다.
페르미 에너지만 제대로 그릴 줄 알면, 모든 반도체의 에너지 밴드는 쉽게 그릴 수 있습니다.
제로 인가 바이어스의 특징은 다음과 같습니다.
페르미 에너지 준위가 물질계 전체에 걸쳐 일정하게 값을 가진 상태입니다.
즉, 저 파란색 선 E(F)가 일정합니다.
에너지 밴드를 그리는 방법은 다음과 같습니다.
1. 페르미 에너지를 그려주세요.
2. p형 반도체, n형 반도체를 그려주세요. (p형 반도체는 페르미 에너지 준위가 가전자대 근처에 있을 것이고, n형 반도체는 페르미 에너지 준위가 전도대 근처에 형성이 될 것입니다.)
3. 가전자대-가전자대, 전도대-전도대를 선으로 그으시면 됩니다.
저 V(bi)가 내부 장벽입니다.
n영역의 전도대의 전자가 p영역의 전도대로 이동해야 할 때 극복해야 할 전위 장벽입니다.
p영역의 가전자대의 정공이 n영역의 가전자대로 이동해야 할 때 극복해야 할 전위 장벽이기도 하지요.
따라서 전위 장벽은 전자, 정공 등 캐리어 이동에 가장 중요한 식이겠죠. 이는 전자, 정공 농도 식을 통해 유도가 가능합니다.
도핑을 많이 하면 할수록, 전위 장벽이 커짐을 알 수 있었습니다.
Reverse Bias
p, n형에 전위를 인가시키면 평형상태가 깨져 페르미 에너지 준위가 달라지게 됩니다.
페르미 에너지가 열 평형 상태 값과 다르게 일정한 값을 갖지 않게 되지요.
전위 장벽 값에 역방향 전압이 더 더해지게 됩니다.
역방향 바이어스 상태의 에너지 밴드를 그려보겠습니다.
1. 페르미 에너지를 그려주세요. 역 방향이니까 E(Fp)가 E(Fn)에 비해 V(R)만큼 올라가게 그리면 됩니다.
2. p형 반도체, n형 반도체를 그려주세요. (p형 반도체는 페르미 에너지 준위가 가전자대 근처에 있을 것이고, n형 반도체는 페르미 에너지 준위가 전도대에 형성이 될 것입니다.)
3. 가전자대-가전자대, 전도대-전도대를 선으로 그으시면, 공간 전하 영역까지 표시할 수 있습니다.
Reverse Bias를 가하면, 공핍 영역 폭도 증가함을 수식적으로 알 수 있습니다.
Forward Bias
p, n형에 전위를 인가시키면 평형상태가 깨져 페르미 에너지 준위가 달라지게 됩니다.
전위 장벽 값에 순방향 전압이 빼지죠.
내부 전위 장벽이 낮아져 전자, 정공 이동이 엄청 쉽게 되는 것을 알 수 있습니다.
순방향 바이어스 상태의 에너지 밴드를 그려보겠습니다.
1. 페르미 에너지를 그려주세요. 순 방향이니까 E(Fp)가 E(Fn)에 비해 V(D)만큼 내려가게 그리면 됩니다.
2. p형 반도체, n형 반도체를 그려주세요. (p형 반도체는 페르미 에너지 준위가 가전자대 근처에 있을 것이고, n형 반도체는 페르미 에너지 준위가 전도대에 형성이 될 것입니다.)
3. 가전자대-가전자대, 전도대-전도대를 선으로 그으시면, 공간 전하 영역까지 표시할 수 있습니다.
공간 전하 폭이 작아지는 사실도 알 수 있습니다.
이 포스팅의 정리입니다.
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