2022.10.19 - [전자공학/반도체 이론] - 반도체 물성과 소자) 4. 열 평형 상태의 반도체(p형과 n형 도핑 원소를 왜 B(붕소), P(인)을 사용할까?)
저번 포스팅에서 평형 상태의 진성 반도체, 외인성 반도체의 에너지 밴드를 설명해 드렸습니다.
각각 반도체의 전자, 정공의 농도도 구해봤죠.
GaAs는 인공위성 등 고속 전자소자에서 많이 쓰입니다. 왜 Si는 고속 전자소자로 쓰이지 못할까요?
Carrier의 이동
반도체 내 전류의 흐름을 발생시키는 것을 캐리어라고 합니다. 즉, 전자와 정공을 고급스럽게 칭한 단어이지요.
이 캐리어가 이동하면서 전류가 발생하기 때문에, 캐리어 이동 양상에 대해서 구체적으로 파해쳐 봐야 합니다.
캐리어의 이동은 Drift와 Carrier 확산으로 나뉩니다.
1. Carrier Drift 전류
전계에 의한 전하의 순 이동을 Drift라고 합니다.
특정 에너지(ex: 열 에너지)를 받아 전자는 가전자대에서 전도대로 이동하게 되고, 전도대 내에서 자유 전자로 거동을 하게 됩니다.
이 자유 전자는 말 그대로 '자유'이기 때문에 랜덤 한 방향으로 움직이죠.
Carrier들은 자유롭게 움직이다가, 격자 내 원자, 이온, 불순물 이온과 부딪혀 속도가 0이 되어 전류가 흐르지 않게 됩니다.
여기서 반도체에 '전계'를 걸어주면 어떻게 될까요?
자유 전자는 전계로 인해 특정 방향으로 가속되어 이동하게 됩니다.
이온이나 불순물과 부딪혀도 다시 힘을 받아 같은 방향으로 이동하죠.
전자마다 속도가 다 다릅니다. 어떤 전자는 1번 부딪히고, 어떤 전자는 10번 부딪히겠지요.
이 전자들의 속도를 평균 낸 값이 'mobility', 이동도입니다.
따라서, 이동도는 입자가 전계에 의해 얼마나 잘 반도체를 통과하는지 나타내 주는 척도이죠.
Mobility 식입니다. 유효 질량이 클수록 작고, 충돌 사이 평균시간이 클수록 이동도가 큽니다.
작을수록 빠르며, 충돌을 거의 안 할수록 이동도가 크지요.
GaAs 유효 질량 : 0.067mo, Si 유효 질량 : 0.98mo
GaAS의 유효질량이 확실히 작지요. 이러한 이유로, GaAs는 Si에 비해 고속 전자소자로 좋은 겁니다.
총 Drift 전류 식은 다음과 같습니다. Hole과 Electron의 Drift 전류 밀도의 합을 나타내는 식이지요.
이 식을 통해 drift 전류 밀도는 전계, 이동도, 농도, 전도도와 비례한다는 사실을 알 수 있습니다.
2. Carrier 확산 전류
확산이란 무엇인가요?
높은 농도 영역에서 낮은 농도 영역으로 이동하는 현상입니다.
반도체도 마찬가지로 확산으로 인한 전자의 이동이 일어납니다.
Dn, Dp는 확산 계수이고, dn/dx, dp/dx는 농도 차이입니다.
3. 총 전류 밀도
반도체 내에 흐르는 총전류는, Carrier Drift, Carrier Diffusion 전류 성분의 합입니다.
* 이동도와 확산 계수는 독립된 파라미터가 아닙니다.
이동도는 drift 전류 밀도 성분에 있고, 확산 계수는 diffusion 전류 밀도 성분에 있기 때문에 오해를 많이 하십니다.
아인슈타인께서 관련 식을 증명해 주셨죠.
'반도체 공학 > 반도체 물성 이론' 카테고리의 다른 글
| 반도체 물성과 소자) 특별판, 캐리어 관점에서 보는 전자, 정공 농도 (0) | 2022.10.22 |
|---|---|
| 반도체 물성과 소자) 6. 비평형 과잉캐리어 (0) | 2022.10.21 |
| 반도체 물성과 소자) 4. 평형 상태의 진성 반도체, 외인성 반도체의 거동 및 전자, 정공 농도(p형과 n형 도핑 원소를 왜 B(붕소), P(인)을 사용할까?) (0) | 2022.10.19 |
| 반도체 물성과 소자) 3. 페르미 에너지 준위 (feat 상태 밀도 함수, 페르미-디락 함수) (0) | 2022.10.18 |
| 반도체 물성과 소자) 2. 고체 양자 이론(feat. 파울리 배타 원리, 에너지 밴드 형성) (0) | 2022.10.17 |
댓글