반도체란?
과학시간에 도체와 부도체를 배운 적이 있을 것입니다. 한 번 복습해보자면, 도체란 전기가 잘 통하는 물질로 금속 등을 말하고, 부도체란 전기가 잘 통하지 않는 물질로 고무, 나무 등을 말합니
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시작 전 알아둘 것
- 반도체에서 전도전자(최외각 전자 중 전류에 영향을 주는 전자)는 대부분 전자라고 표현한다. 전도전자 이외의 전자들은 전류나 전기전도도에 아무런 영향도 주지 않아서 고려할 필요가 없기 때문이다
- 반송자(carrier)는 정공과 전도전자를 이동시키는 입자라는 의미로, 반송자의 이동으로 전류가 흐른다.
반도체에서 흐르는 전류는 반송자가 드리프트, 확산, 재결합-생성 중 하나의 원리로 이동하며 발생합니다. 하나씩 차근차근 알아가보도록 하겠습니다.
드리프트 전류란?
드리프트 현상은 전기장에 의해 반송자가 이동하는 것이고, 드리프트 전류는 드리프트 현상으로 발생하는 전하의 흐름입니다. 드리프트 전류는 반송자가 많이, 빠르게 이동할수록 강해집니다.
전기장과 전자, 정공의 관계
전기장은 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는데, +전하를 가진다고 가정된 정공은 전압이 낮은 곳으로 이동하고, -전하를 가지는 전자는 전압이 높은 곳으로 이동한다. 즉, 정공은 전기장과 같은 방향으로 이동하고, 전자는 전기장과 반대 방향으로 이동하는 것이다.
아마 고등학교에서 배울, 또는 배웠을 내용일텐데, 진공에 전자를 두고 전기장을 가하면 m0의 정지질량(상대성이론에서 물체의 불변질량)을 갖는 전자가 가속도(시간에 대한 속도의 변화율) a로 이동하게 됩니다. 드리프트 현상도 이와 동일합니다. 다만, 진공이 아니라 실리콘 원자로 차 있는 공간에 전자가 두어진 상태인 것만이 다를 뿐입니다.
그러나 정지질량을 기준으로 계산을 하면 무수히 많은 실리콘 원자들이 전자에 미치는 영향을 모두 고려해야 하므로 복잡해지기 때문에, 전자의 정지질량 대신에 전자의 유효질량을 사용합니다. 전자의 유효질량을 사용하면, 유효질량의 값 안에 실리콘 원자가 전자에 미치는 영향이 포함되기 때문에, 진공에 전자를 두고 전기장을 가한 상태의 움직임과 동일하게 계산이 가능해집니다.
이와 같은 이론에 따르면 전기장은 일정한 속도로 이동하므로 반송자가 등가속도 운동을 하게 된다고 생각될 수도 있겠지만, 실제로는 반송자가 불순물, 격자진동 등의 요소에 의해 운동이 방해되기 때문에 등속도 운동을 합니다.
자세한 계산식은 생략하겠습니다.
확산 전류란?
확산 현상은 입자(반송자인 전자, 정공)의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 것이고, 확산 전류는 확산 현상으로 발생하는 전하의 흐름입니다. 확산 전류는 반송자의 불균등한 분포에 비례합니다. 분포가 균등하면 높낮음의 차이가 없기 때문입니다.
확산전류는 pn 접합을 이용한 다이오드, 극성 접합 트랜지스터의 전류를 결정하며, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터가 작동하지 않을 때의 누설 전류를 결정합니다.
pn 접합
규소의 절반은 3족(or 13족) 원소를 도핑하여 p형으로 만들고, 나머지 절반은 5족(or 15족) 원소를 도핑하여 n형으로 만들면 그 사이에 pn 접합이라는 경계 영역이 형성됩니다.
재결합-생성 전류란?
재결합-생성에 의한 전류를 재결합-생성 전류라고 합니다. 카메라에서 빛을 감지하는 센서, 태양전지, 발광 다이오드 등의 빛을 감지하는 분야에서 매우 중요합니다. 그러나 메모리, 비메모리 영역에서 드리프트나 확산 전류에 비해 그리 큰 역할을 하고 있지는 않습니다.
재결합-생성의 주체는 반송자인 전자와 정공이고, 전자와 정공이 반송자의 기능을 잃는 것을 재결합, 반송자의 기능을 얻는 것을 생성이라고 합니다. 재결합 유형으로는 밴드 간 재결합, R-G center 재결합, Auger 재결합이 있는데, 하나씩 보도록 하겠습니다.
1. 밴드 간 재결합
전도전자가 떠돌아 다니다가 전기적 위치 에너지를 잃고 전도대역(컨덕션밴드)(전자가 꽉 차지 않고 비어있는 공간, 전도전자가 다니는 공간)에서 가전자대역(밸런스밴드)(꽉 차있는 공간)으로 전이할 때, 잃은 만큼의 에너지는 photon을 방출하는 데 쓰입니다. photon은 광자이므로, 결국 에너지가 빛으로 방출되는 것입니다.
2. R-G center 재결합
R-G center는 격자 결함(결정 사이 일부 불규칙적인 부분)이나, 규소 안의 불순물 원자인데, 밴드 갭(전도대역과 가전자대역 사이에 있는 전자가 존재할 수 없는 영역) 사이에 전자 에너지 준위인 Et를 만듭니다. R-G center 재결합에는 두 종류가 있는데, 하나는 전자가 R-G center 주위를 돌아다니다가 R-G center의 퍼텐셜 우물에서 에너지를 잃은 상태로 있으면 가전자대역에 있는 정공이 전자로 이끌려 Et로 가서 재결합되면서 반송자 기능을 잃어버리는 것이고, 나머지 하나는 R-G center에 갇혀있다가 다시 에너지를 잃고 가전자대역으로 전이한 다음 정공과 재결합되면서 반송자 기능을 잃어버리는 것입니다. 어떤 방법이로든 잃은 에너지는 열에너지로 방출됩니다.
퍼텐셜 우물
변위에 따른 위치 에너지의 그래프에서 극솟값 주위를 일컫는다. 물체가 퍼텐셜 우물 바닥에 정지해 있는 경우, 외부의 자극이 없으면 에너지 변화가 없는 채로 바닥에 남아있게 된다.
3. Auger 재결합
전도대역에서 떠돌던 전자끼리 충돌하면, 한 전자가 충돌한 다른 전자에게 에너지를 주고, 에너지를 잃은 상태가 되어 가전자대역으로 전이해 정공과 재결합하는 방식입니다. 밴드 간 재결합이나 R-G center 재결합과 달리 에너지 방출이 없습니다.
반송자가 생성되는 과정도 세 가지로 나눌 수 있습니다.
1. 밴드 간 생성
가전자대역의 전자가 외부로부터 열에너지나 빛에너지를 얻어 전도대역으로 전이하면서 동시에 정공이 생겨나는 생성 방식입니다. 빛으로부터 에너지를 얻은 경우는 photon generation, 열으로부터 에너지를 얻은 경우는 direct thermal generation 라고 합니다.
2. R-G center 생성
가전자대역에서부터 전이한 전자가 정공을 남기고 Et에 갇혀 있다가, 외부로부터 열에너지를 받아서 전도대역으로 전이하는 생성 방식입니다.
3. 충격 이온화
반도체에 전기장이 존재할 때, 반송자가 전기장을 따라 이동하다가 결정에 충돌한 후 잃어버린 에너지로 한 쌍의 전자-정공을 생성하는 생성방식입니다.
