10.1 반도체 소자

Fabrication (fab) 공정 중 photolithography Light Mask PR Oxide Wafer Doping Metal contact Etching PR 제거

접합 다이오드 Junction diode pn junction을 이용 Basis for electronic devices p-type 과 n-type semiconductor 붙여 만든 것 전류를 다른 방향보다 어느 한 특정 방향으로 훨씬 더 쉽게 흐르게 할 수 있다.

바이어스 없음 역방향 바이어스 순방향 바이어스 (Unbiased) (Reverse biased) (Forward biased) 작은 전류 큰 전류 Net electron current Net electron current n→p 의 barrier가 높아짐. p의 e가 n쪽으로 넘어가는 양은 unbiased와 같지만, n의 e는 높아진 barrier 때문에 p쪽으로 이동이 적어짐 n→p 로 작은 전류 it-ir 흐름 n→p 의 barrier가 낮아짐. p의 e가 n쪽으로 넘어가는 양은 unbiased와 같지만, n의 e는 barrier 넘기 쉬워져 p쪽으로 이동이 많아짐 n의 e 개수는 매우 크므로 p→n 으로 큰 전류 ir-it 흐름 n의 e 개수 >> p의 e 개수 n→p : barrier를 넘어야 n의 e가 p쪽으로 넘어가는 양 = p의 e가 n쪽으로 넘어가는 양 No current Depletion region (고갈영역) : 전자, 구멍이 존재하지 않는 영역 Electron current : (-) charge의 current ! Conventional current의 반대 방향 Recombination electron current : p 영역으로 이동 후 hole과 recombine 전자뿐만 아니라 구멍도 전류를 만든다. 구멍의 운동방향 = 전류 방향

I I I Is Reverse bias Forward bias pn 반도체 다이오드의 전압-전류 특성 (I-V characteristics)

광 다이오드 Photovoltaic (photon->voltage) 태양전지(Solar cell) 광자가 접합부분에서 전자-구멍 쌍을 만든다 고갈영역의 전기장이 전자, 구멍을 각각 n, p 영역으로 이동시킴 빛으로 전류 (저항에서 전압) 만들기 태양 복사로부터 전기에너지 생산 hn

Photodiode (PD) Solar cell 과 같은 process지만 역방향 전압을 걸어주어서 carrier 움직임을 쉽게 (전류 증가) 카메라의 조도계와 같은 광을 검출하는 소자로 널리 사용 hn 에너지를 투입하여 만들어진 전자-구멍 쌍이 서로를 향해 움직이는 경우(forward bias)에는 재결합이 일어난다. Silicon 이나 germanium 등의 경우에는 재결합시 줄어드는 에너지가 열의 형태로 변환되지만, Gallium arsenide (갈륨 비소) 등의 직접천이형 밴드갭을 가지는 반도체 (direct gap semiconductor) 에서는 이 에너지만큼의 광자가 방출된다. → LED, LD

Electroluminescence (voltage->photon) 발광다이오드 (Light emitting diode: LED) 순방향 바이어스를 걸면 전자와 구멍 모두가 p-n 접합 쪽으로 움직이며 접합에서 빛을 내며 재결합한다. 약한 전류를 사용하고, 광자는 자발방출 (spontaneous emission) 으로 발생된다. Direct gap semiconductor를 이용 hn

Laser diode (LD) 전류가 높으면 자발방출이 전자나 구멍이 도달하는 비율을 따르지 못해 밀도 반전 (population inversion) 이 생긴다. 유도 방출 (stimulated emission) 이 발생 → 레이저 LED (large current) + active region + mirror Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

광산업에서 LED의 장점 단색광에 가까운 빛 방출 반도체 종류에 따라 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑 백색광 + color filter 보다 효율 높음 신호등 경관조명 Visible light (가시광선 可視光線)

LED의 장점 - 계속 상대적으로 작은 크기 + 여러 색깔 Full color LED display (RGB 3 색 이용) 대형 옥외 전광판 자동차, 선박, 항공용

LED의 장점 - 계속 White LED 가능 백색 LED + LCD + color filter LED 조명 LED TV, monitor LED를 back light로 이용 LED 조명 백색 LED 도 백열전구, 할로겐램프 보다 효율 높음 극복해야 할 과제 형광등은 효율 높고 싸다! 환경오염?

Color CIE 1931 xy chromaticity diagram Commission internationale de l'éclairage (International commission of Illumination)

E vs C for Compound Semiconductor AlN 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 2.0 5.0 Direct gap Indirect gap 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 0.0 1.0 III-Nitrides (c ~ 1.6 a0) E(eV)=1.24/ λ(㎛) AlN Theory Zincblende ZnS Bandgap (eV) Wavelength (㎛) GaN GaN ZnSe AlP CdS ZnTe InN Theory AlAs GaP InN CdSe AlSb GaAs InP CdTe Si Al2O3 Ge GaSb 6H-SiC ZnO 3C-SiC Al2O3 InAs InSb 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 2.5 Lattice Constant (Å)

터널 다이오드 제너 다이오드

트랜지스터 (transistor) 3개의 단자 중, 2 단자 사이에 흐르는 전류를 나머지 1개의 단자로 control (ON/OFF) 종류 접합 이용 Bipolar junction transistor 전기장 효과 이용 (Field effect transistor: FET) MESFET, MOSFET JFET (접합 효과도 이용)

접합 트랜지스터 Emitter (E)에서 Collector (C)로 움직이는 전하 캐리어를 Base (B) 전압으로 control C C 전자 B B 구멍 전류 E E npn pnp

npn bipolar transistor B-E는 순방향 C-B는 역방향 E에서 출발한 전자는 대부분 얇은 B를 통과, C로 넘어감

전기장 효과 트랜지스터 Field Effect Transistor (FET) Source (S)에서 Drain (D) 으로 움직이는 전하 캐리어를 Gate (G) 전압으로 control 전자 구멍 전류 D D D G G G S S S n-channel depletion MOSFET p-channel enhancement MOSFET n-channel JFET

JFET (junction field effect transistor) G와 S 사이가 역방향! 입력 전류가 매우 작음 = 큰 input impedance 전력 소모가 작다 (BJT에 비해)

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) JFET, BJT보다 더 작게,적은 process로 만들 수 있다. Gate 를 통해 전류가 거의 흐르지 않으므로 매우 높은 input impedance 및 더 적은 전력 소모

n-channel enhancement MOSFET - Source, Drain, Gate - Gate의 potential에 따라 source->drain의 n-channel ON/OFF VG=0 -> OFF VG>0 -> ON n-channel depletion MOSFET VG=0 -> ON VG<0 -> OFF

CMOS (Complementary MOSFET) - n-channel MOSFET + p-channel MOSFET - Push-pull amplifier의 FET version - Low quiescent current -> 저전력 소자