3. 반도체 소자의 동작의 원리

1. 도핑(Doping)

가. 반도체에서 도핑이란?

실리콘 원자 1개를 다른 원소로 대체하면 자유전자와 Hole이 발생한다.

반은 도체, 반은 부도체의 원천

출처 : http://slideplayer.com/slide/10985708/

* 기증(Donors) : 실리콘(si)에 5족원소 재료를 섞으면 원자당 자유전자(Electron) 1개가 늘어난다.

* 받음(Acceptor) : 실리콘(si)에 3족원소 재료를 섞으면 원자당 양공(Hole)이 1개 늘어난다.

따라서 도핑의 농도를 어떻게 하느냐에 따라 자유전자, 양공의 갯수를 제어할 수 있다.

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나. 도핑의 밴딩모델

출처 : http://slideplayer.com/slide/10985708/

도너과 억셉트에 따라서 자유전자를 얻거나 이동하는 것을 볼 수 있다.

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다. 온도에 따른 반도체의 동작

출처 : http://slideplayer.com/slide/8144864/

도핑을 했다고 언제어디서든 무조건 잘 작동을 하는 것은 아니다.

도핑을 했을 때 관리를 할 수 있는 온도가 있는데,

그 온도를 Extrinsic temperature 영역이라고 한다.

Extrinsic temperature 영역에서는 도핑이 100%이온화가 되어 자유전자가 된다.

하지만 온도가 계속 올라가게 되면 어느 순간 도핑의 양보다 높은 주순이 되어 도핑의 효과는 모두 사라지게 된다.

2. P형, N형

가. 1cm³ 당 몇 개의 불순물 원소를 도핑했는가?

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/5057829/

ND : 1cm³ 당 도너(Donor)의 총량, 음의 전하

NA : 1cm³ 당 억셉트(Acceptor)의 총량, 양의 전하

양의 전하, 음의 전하량 같아야 한다. 

따라서 posivite charge = negative charge의 양은 같아야 한다고 한다.

나.  n형, p형 반도체

 

출처 : https://chem.libretexts.org/LibreTexts/Howard_University/General_Chemistry%3A_An_Atoms_First_Approach/Unit_5%3A_States_of_Matter/Chapter_12%3A_Solids/Chapter_12.06%3A_Metals_and_Semiconductors

- n형 반도체는 도너가 많이 들어간 반도체(전자의 농도가 높다)

- p형 반도체는 억셉트가 많이 들어간 반도체(양공의 농도가 높다)

결국, 어떤 불순물을 넣느냐에 따라 n형, p형 반도체가 되는 것이다.

* 진성반도체(intrinsic semiconductor) : 불순물이 없는 반도체

* 불순물 반도체(extrinsic semiconductor) : 도핑을 하여 전자와 양공의 농도를 조절한 반도체

다. 전자와 양공의 분포도

 

출처 : https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_2/backbone/r2_2_3.html

전자(electron)의 경우 아래로 내려가려는 성질이 있고

양공(hole)의 경우 위로 올라가려는 성질이 있다.

1) 반도체의 열평형(Thermal Equilibrium)

전기장, 자기장, 기계적인 압력이 없는 상태의 반도체

* Dynamic situation : 열평형 상태에서 아무일이 일어나지 않은 상태

실적으로는 어딘가에서는 1개의 전자가 생성되고 양공에 또 다른 전자가 들어가는 상태

상호작용은 계속 일어나고 있다.

* 열교란(Thermal agitation) : 외부의 열에너지에 의해 Dynamic situation 상태에서 전자와 양공이 에너지를 주고 받는 과정을 Thermal agitation이라고 말을 한다.

2)Fermi Function

 

- E는 특정 에너지값

- Ef는 기준 에너지값

각 밴딩모델에 전자가 있을 확률값을 구하는 것이다. 

donor level을 기준으로 높은 에너지를 갖고 있을 확률이 낮아지고

donor level에 있을 확률은 높게 된다.

 

출처 : https://ecee.colorado.edu/~bart/book/carriers.htm

따라서 위 그래프의 기준으로 50%구간에 해당하는 곳이

Fermi level 구간이라고 할 수 있다.

3)전자의 분포도(Carrier distribution)

 

출처 : http://slideplayer.com/slide/10985708/

- Density of states : state의 분포

- Probability of occipancy : state에 전자가 있을 확률

Density of states * Probability of occipancy = Carrier distribution

이 위에 값을 곱해서 나온 값이 전자의 분포도이다.

4) 질량 작용의 법칙(Mass action law)

np=n²

 

출처 : https://www.slideshare.net/chinkitkit/semiconductor-52857516

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