4. 반도체 소자를 동작시키는 주인공

 

1. 전자(Electron)와 양공(Hole)의 농도

가. 고유 페르미 준위(Intrinsic fermi level)

반도체에서 페르미준위는 기준 Ef에서 전자가 발견될 확률이 50%인 지점

출처 : http://slideplayer.com/slide/3514044/

결국 에너지 밴드 다이그램에서 Ec와 Ev의 중간정도에 intrinsic fermi level이 있다.

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/11363653/

나. 전자, 홀의 농도

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/11363653/

전자가 발생하면 양공이 생기기 때문에 전자의 농도는 곧 양공의 농도라고 할 수 있다.

2. 전자와 양공의 이동

가. 수송자(Carrier)

DDR에 의해서 이동한다.

1) Drift : 전기장에 의해 움직이는 전하, 전기장 속에서 움직인다.

2) Diffusion : 농도,온도에 의해 확산되어 전자와 양공이 움직인다.

3) Recombination-generation(R-G) : 재결합 후 생성

나. 유효질량

절대적인 질량이 아닌 상대적인 질량이다.

상황,환경에 따라 질량의 값은 변한다.

다. Thermal Velocity

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/7850557/

초당 평균적으로 약 10,000,000 cm/s로 전자는 움직이고 있다

마. Carrier Scattering

1) Phonon scattering

엄청난 수의 전자는 반도체안에서 엄청나게 많이 충돌하게 된다.

실리콘(si)원자가 상온 300k에 놓여있을 경우 조금씩 떨게 된다.

이처럼 진동하는 원자를 포논(Phonon)이라고한다.

자유전자가 이동하면서 포논과 충돌이 일어난다.

이 상황을 Phonon scattering이라고 한다.

온도에 따라서도 scattering이 달라진다고 한다.

2) ionized impurity scattering

진성반도체뿐만 아니라 도핑을 한 반도체에 사용하는 scattering

3) Carrier-carrier scattering

전자가 너무 많아 전자끼리 충동하는 scattering

라. Electron momentum

전자가 이동하면서, 운동량이 있다.

최종적인 Mobility라고 할 수 있다.

전기장이 있기 대문에 전자는 충돌이후 한번 더 힘을 받아서 가속되어 운동량을 얻고

충돌하여 운동량을 잃는다.

운동량은 물리량과 같아

힘 * 시간이라고 할 수 있다.

 

 

3. 전자(Electron)와 양공(hole)의 Scattering

가. 전자와 양공의 mobilites 값

 

 

출처 : https://engineering.purdue.edu/gekcogrp/science-applications/ultra-scaled-FETs/mugfets/cmos/

나. 자유행동거리(Mean Free path)

- 두개의 충돌 발생 사이에 얼마나 많은 거리를 전자나 양공이 이동하는가의 개념이다.

다.  Mechanisms of Carrier Scattering

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/7850557/

1. Phonon scattering : 떨리는 원자들이 충돌

2. Impurity ion scattering : 도핑을 한 반도체가 전자나 양공에 부딛히는 경우

3. carrier-carrier scatt ering : <전자와 전자>, <양공과 양공>, <전자와 양공>이 충돌하는 경우

온도에 따라 전자는 열에너지를 받아 phonon이 증가하여,

전자의 mobility는 감소한다.

라. Matthiessen's Rule

일정 시간동안 carrier가 어떻게 이동하는지를 보는 개념

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/7850557/

마. 온도에 따른 Mobility 효과(Temperature Effect on Mobility)

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/4900176/

10^18구간에서 온도 200K~300K구간에서 거의 변화가 없다는 것을 알 수 있다.

따라서 반도체를 만드는 사람의 입장에서는 온도변화에 민감하게 받아들이지 않을 수 있어 좋다.

잘못된 부분이나 오류 사항 있으시면 댓글 좀 남겨주세요.