Chapter 1. 반도체 소자론 전자정보공학과 교수 이종복.

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1 Chapter 1. 반도체 소자론 전자정보공학과 교수 이종복

2 1. 주기율 표 1 2 3 4 5 6 7 8 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Ga Ge As In Sn Sb 3 족 원소 : B(붕소), Al, Ga(갈륨), In(인듐) 4 족 원소 : C, Si, Ge, Sn(주석) 5 족 원소 : P(인), As(비소), Sb(안티몬)

3 2. 전자구조의 표기법 1H : 1s1 2He : 1s2 3Li : 1s22s1 6C : 1s2 2s22p2
10Ne : 1s2 2s22p6 11Na : 1s2 2s22p6 3s1 14Si : 1s2 2s22p6 3s23p2 17Cl : 1s2 2s22p6 3s23p5

4 3. 공유결합 뜻 : 각 원자는 주변의 4 개의 원자와 가전자(valence electron)을 공유한다.
전기적 성질 : 부도체이나, 반도체의 경우 열이나 빛을 쬐면 전자가 들떠서 공유결합을 깨고 전도에 기여한다. 반도체도 0oK에서는 부도체임. 예 : Si

5 4. 에너지 밴드이론 1. 두 개의 동일한 원자가 멀리 떨어져있을 때는 상호작용이 없으므로 각각 동일한 전자구조를 갖는다.
2. 두 개의 원자가 공유결합을 하기 위하여 원자의 간격이 좁아짐에 따라 에너지 상태가 파울리의 배타원리(원자 내의 전자끼리 양자수가 달라야한다는 원리)에 의하여 이산에너지 준위로 분리된다. 3. 이 때 에너지 밴드는 전도대(conduction band), 에너지갭(energy gap), 가전자대(valence band)로 나뉘어진다.

6 4. 가전자대의 전자가 빛이나 열에 의하여 전도대로 여기되었을 때, 전도대에 올라온 전자는 자유롭게 빈공간으로 옮겨다닐 수 있다.
5. 이 때, 가전자대에 생긴 전자가 비어있는 상태를 hole이라한다. 6. 전도대의 전자와, 가전자대의 hole은 반도체 내의 전류를 흐르게하는 요소이다.

7 7. 역으로, 전도대의 전자가 에너지를 잃고 가전자대로 천이하여 호올과 다시 만나서 소멸하는 현상을 재결합(recombination)이라 한다. 이 때, 전자는 광자(photon)를 방출하거나 격자(lattice)에 열을 전달한다.

8 7. 에너지 밴드구조 1. 부도체 : 2. 반도체 3. 금속 Eg가 매우크다. 탄소의 경우 5 eV.
가전자대와 전도대가 부분적으로 겹쳐있으므로 전기장을 가했을 때 전자가 자유롭게 이동한다.

9 8. 전류가 전도되는 원리 2. 반도체 : 빛, 열로 여기된 전자가 전도대로 넘어가서 전도에 기여하고, 가전자대에 남은 빈 공간도 전도에 기여한다. 예) 두 개의 물통

10 9. Doping 1. 동기 : 반도체에 열이나 빛을 가하지 않고 전도도를 높일 수 없을까 ?
2. 방법 : 반도체의 결정질에 불순물을 첨가하여 캐리어를 생성한다. 반도체의 전도도(conductivity)를 변화시킬 수 있다.

11 3. 반도체의 종류 Intrinsic (진성 반도체) 불순물을 투입하지 않은 순수한 반도체

12 N-type : 뜻 : 반도체에 5 족원소(P:인,Sb:안티몬)을 투입하여 전자의 수를 지배적으로 만든 것.
Donor : 이 때 첨가된 5 족 원소 다수캐리어 : 전자 / 소수캐리어 : 호올

13 P-type : 뜻 : 반도체에 3 족원소(B:붕소,Al:알루미늄)을 투입하여 호올의 수를 지배적으로 만든 것.
Acceptor : 이 때 첨가된 3 족 원소 다수캐리어 : 호올 / 소수캐리어 : 전자

14 10. Fermi Level Fermi Dirac 분포함수 : Fermi Level (EF) :
의의 : 고체 내 전자의 행동을 통계학적 방법으로 연구하여 반도체를 분석하는데 사용되는 중요한 함수. 뜻 : 에너지 상태 E가 절대온도 T에서 1 개의 전자에 의하여 채워질 확률 Fermi Level (EF) : Fermi Dirac 분포함수의 기준 에너지로서 반도체 성질 분석의 중요한 값. 0oK에서 EF이하는 전자로 전부 채워져있고, EF이상은 비어있음. 0oK 이상에서 EF이하도 전자가 비어있을 수있고, EF이상도 채워질 수 있음.

15 n형 반도체 p형 반도체 전자가 다수캐리어이므로, 에너지 상태가 전자에 의해서 채워질 확률이 증가 Ef가 올라간다.
전자가 소수캐리어이므로, 에너지 상태가 전자에 의해서 채워질 확률이 감소 Ef가 내려간다.

16 Energy Band Diagram과 캐리어의 농도
진성반도체 : 가전자대의 호올의 농도는 전도대의 전자의 농도와 같다. n - type : 가전자대의 호올에 비하여 전도대의 전자가 고농도이다. p - type : 가전자대의 호올이 전도대의 전자보다 고농도이다.

17 11. 반도체 내 전류흐름 요인 1. 확산(diffusion) 2. 표류(drift)
뜻 : 전자 및 호올의 농도 차이가 존재시 고농도에서 저농도로 이동하는 현상. 원인 : 격자와 불순물 간의 random motion에 의한 충돌. 2. 표류(drift) 뜻 : 전기장에 의하여 전자가 (+)로, 호올이 (-)로 끌려가는 현상

18 12. PN Junction(접합)

19 1) pn 접합시 접합에서의 큰 농도 차이 때문에 호올은 p에서 n으로, 전자는 n에서 p로 확산된다
1) pn 접합시 접합에서의 큰 농도 차이 때문에 호올은 p에서 n으로, 전자는 n에서 p로 확산된다. 따라서 확산전류는 p에서 n 방향이다. 2) 호올이 p에서 n으로 확산하면서 비보상 acceptor 이온 Na- 를 남기고, 전자가 n에서 p로 확산하면서 비보상 donor 이온 Nd+ 를 남긴다. 3) 따라서 전기장이 n에서 p로 형성되며, 표류 전류 역시 n에서 p로 흐른다. 4) 평형상태에서 확산전류와 표류전류는 상쇄된다. 5) 전기장이 형성되는 지역 W를 공핍지역(depletion region)이라 부르고, 전위차 Vo를 접촉전위(Contact Potential)이라 한다.

20 13. Forward 및 Reverse Bias

21 1) Forward bias(순방향 전압) :
p형에 (+), n형에 (-) 전압의 Vf를 걸어주면 p쪽의 정전위가 n쪽에 비하여 올라가기 때문에 접촉전위 Vo가 Vo-Vf만큼 낮아진다. 인가된 전기장이 평형일 때의 전기장과 반대이므로 전체 전기장이 감소하여 전이지역 폭 W가 줄어든다. 인가된 forward bias는 캐리어가 접합 너머로 확산될 확률을 지수함수적(e qv/kT)만큼 높여주어, 확산전류가 크게 증가한다. 표류전류는 인가 전압과 무관하게 일정하다.

22 2) Reverse bias(역방향 전압) :
p형에 (-), n형에 (+) 전압의 Vr를 걸어주면 p쪽의 전위가 n쪽에 비하여 내려가기 때문에 접촉전위가 Vo+Vr만큼 커진다. 인가된 전기장이 평형일 때의 전기장과 같으므로 전체 전기장이 증가하여 전이지역 W의 폭이 증가한다.

23 3) 다이오드 전류식과 그래프 I0 : Reverse Saturation Current q : 1.6 x 10-19 C
k : Boltzman Coefficient, 1.38 x J/oK T : 절대온도

24 14. 표류전류의 크기가 불변인 이유 P쪽의 전이지역에서 떠돌던 소수캐리어(전자)는 전기장에 의하여 전위장벽 너머 n쪽으로 휩쓸려가서 표류전류 성분을 증가시킨다. N쪽의 전이지역에서 떠돌던 소수캐리어(호올)도 전기장에 의하여 p쪽으로 휩쓸려간다. 그러나 소수캐리어(전자/호올)의 수가 매우 작기 때문에 이 전류 성분은 매우 작다. 따라서 인가된 전압의 크기와 무관하다.

25 17. 다이오드의 저항 레벨 (1) 직류저항 (2) 교류저항 다이오드 교류저항은 직류전류의 함수이다.

26 교류저항 증명

27 19. P-N Junction의 capacitance
1) Junction Capacitance(Cj) 뜻 : 전이지역에서 2 개 극성에 의한 capacitance 특징 reverse bias 때 지배적이다. 전압에 따라 변화한다. 2) Diffusion Capacitance(CD) 뜻 :확산에 의하여 주입된 호올이 전하를 저장하여 발생하는 capacitance. Forward bias일 때 지배적이다. High frequency에서 문제를 일으킨다.