광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12. 1 Introduction: relation btn. applied electric fields & electric.

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1 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12. 1 Introduction: relation btn. applied electric fields & electric currents 12. 2 A Physical Basis for Conduction in Materials  Bonding 의 종류와 전기비저항 ?  도체, 반도체, 부도체에 있어서 전기비저항의 크기 범위 ? 1  m, >10 12  m  Polymer 에서 전기비저항 큰 이유 ?  Organic semiconductor 의 특징 ?  Crystalline polymer  Eg ~ 1.5 eV  Bonding type  Resistivity

2 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  결합 (bonding) 의 종류에 따른 상온, 온도증가에 따른 전기전도도 변화  kT ~ 0.025 eV  도체  반도체  부도체  Ionization E? > 1 eV 수십 eV Creation + drift ** 필요조건 for 전기전도 Carrier [2-step] ** Carrier 종류 ? Magnitude of E? Eg EVEV ECEC

3 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  I = V/R (12-1)   = R(A/L) (12-2)  R =  (L/A)  E =  J [ 유도 ] (12-3)  J =  E [ 유도 ] (12-4)   = J / E [  depends greatly on bonding, less extent on atomic arrangement]  Heat Q = I 2 R =  J 2 = J 2 /  Current density J = I/A, electric field E = V/L, electrical conductivity , electrical resistivity  12. 3 Classical Treatment of Conduction in Metals  Free-electron theory of conduction: 전기전도에 대한 일반식 유도 [ 고전역학 ] For homogeneous M [= microscopic theory of conduction ] provides a basis for understanding  phenomena in solid.  Consider an isolated free electron with charge /e/ and mass m within metallic sample. lel E = ma = F(12-5) dv/dt = a = [lel E] / m  meaning?? [ 가속도 ] (12-6)

4 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 전선에 전류가 흐를 때 발생하는 열의량 계산 !!  전선의 단면적 설계 Si wafer Al thin film J [Need a heat sink in the LED]

5 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control (12-9)  = J / E (12-4)  Put, 2  is time elapsed btn collisions  : lifetime = relaxation time Average drift velocity Current density J: J = I / A dv/dt = a = [lel E] / m : w/o collisions (12-6) Electrons periodically collide with the atoms in the lattice : > a central concept in the free-electron theory of metallic resistivity “Saw-tooth” fashion [ average drift velocity of e ] [Scattering] [ current density : J ] [12-7, 12-8] Ohm’s law  v = [lel E]/m x t = a t [electrical conductivity,  ]  : no. of conduction e / Vol.   = J / E =  e  = 1/ 

6 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  양자역학적 고려에 의한 전기전도 이론 : Sommerfeld (1920 년 )  차이점 : 전자들은 항상 움직이고 있다. E F 근처의 전자들만 전기 전도에 기여한다.  Mean free path, 엘 ( l ) 과의 관계 활용 / thermal velocity ( F ) of electron at the E F. Fig. 12-3  높은 에너지를 가진 전자들만 전기전도에 기여한다.  오른쪽 빗금. relaxation time for Elliptic motion (12-9) 와 차이 ? [  은 사용에 불편해서 생긴 최종수식 ]  Relaxation time(  F ) of e at the E F. 반지름이 클수록 Energy 가 높은 전자임

7 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control = h/2m (3  /  ) 1/3 = 1.05x10 8 cm/sec >> v av 평균 유동속도와 페르미에너 지준위에 존재하는 전자의 열적 속도 비교 : Conclusion : v F >> V av = V av = 3.13x10 3 m/s = 1,050x10 3 m/s

8 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12. 4 Contributions to the Electrical Resistivity of Metals = 1/  Mean free path effect (12-9)  Based on classical mechanical theory: [Fig.12-2]  : No. of conduction electron per unit volume (12-10)  Based on quantum mechanical theory: [Fig.12-3]  F : relaxation time for electrons at the Fermi level  = [m F ] / [  lel 2 l  (12-13) : now consider collision probability with l [Factors determination for l :  atomic vibration  impurity atoms  structural imperfection[void, dislocation, etc, ]

9 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control

10 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  Mathiessen’s rule: a raw of additive resistivity:  =  TH +  I 온도효과 :  TH 불순물효과  I Nordheim’s rule (1) Thermal Component of Resistivity in Metal: (2) Impurity Component of Resistivity in Metal: Amplitude of atomic vibration!

11 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 100 K 와 160 K 에서 전기비저항을 알 때 293 K 에서 전기비저항은 ? Proportional expression A direct proportion relationship An inverse proportion

12 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control Cu 에 1 at. % 의 Ag 가 첨가될 때 전기비저항의 변화량 계산.

13 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  전율고용체 (solid solution in full range) 에서 전기 전도도 변화 : Xi=0.5 에서 최대  규칙화 (Ordering) 가 생기는 경우 : A 1 B 3, A 1 B 1 의 전기 전도도 변화는 ? A1B1A1B1 A1B3A1B3

14 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  Resistivity of Multiphase Alloys:  =   x  +   x  +   x  (12-21) Fig. 12-7 (3) Imperfection Component of Resistivity in Metal: ~ defect density [vacancies, self-interstitial, dislocations, grain boundary, phase boundary etc.]  In a two phase region  In a solid solution region T2T2  How a bout  at T 2 ?

15 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12. 5 Superconductivity: 초전도현상 – 임계온도 이하에서 전기 비저항이 0 되는 현상 In 1911, K. Onnes discovered Residual resistivity

16 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control Fig. 2-9. Exclusion of magnetic field lines from a superconductor.  The Meissner Effects: 완전 전도체에는 자기장이 침투하지 못하는 현상  Perfect diamagnetism( 반자성체 ): 자기부상 형상과 관련 됨.  자기장이 초전도체를 관통하지 못하는 이유 ? (Fig.12-12 Type 1 참조 )  자기장이 침투시작  초전도체에 표면전류 유도  생성된 표면전류가 역자기장 발생  생성된 역자기장이 자기장 침투를 방해 : 전기저항 0 때문임. 완전도체 : Protection of magnetic field penetration * 관계 ( 구분 ) 설명 : Meissner Effect, Perfect Diamagnetism, Superconductor

17 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  초전도 현상의 파괴 : 온도와 자기장의 함수  초전도상태의 면적이 넓을수록 우수. Destruction of SC: Temp. Area under curve: [Thermal effect!]

18 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  A Classical Model for Superconduction : consider a simple classical picture of S.C.  due to the strong coupling between pairs of moving electrons and the vibrating atoms.  [Thermal energy can break the couplings]  Normal state 에서, poor conductivity 금속  저온에서 superconductivity 나타나는 이유  strong interaction between pairs of moving electrons and the vibrating atoms. S.C. Magnet Floated S.C. Levitation:

19 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  Hard superconductor and soft superconductor 의 구분 : 경, 연 초전도체의 구분 ? Hard - Soft -  Hc 와 Hc 2 값의 크기로 구분 구분 : Type 11 S.C vs. Type 11 S.C  The way of transition btn S.C. state to normal state. [sharply, type 1] or gradually, type 2]

20 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  Type 1 과 Type 2 초전도체에서 Supercurrent 의 발생과 Fluxoid 를 보이는 설명도 Fluxoids pinning: Defects 존재  Lattice imperfection Flux penetration  Supercurrent 발생 Type 1 : cancel exactly Type 2 : do not ~

21 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  재료의 미세조직 및 결함과 임계자기장의 크기 : 결함이 많을수록 H c 가 증가함. [ 면적이 넓을수록 우수 ] 제 1장제 1장

22 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12. 6 Intrinsic Semiconductors ( 진성 반도체 ): 정의 ? 특징 ? 온도효과 ?  Pure elements: Si, Ge ( 진성, 불순물 )  Stoichiometric compound: GaAs, CdS ( 화합물 ) 반도체의 Eg 범위 0.18 eV < E g < 2.5 eV

23 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control Fig. 12-15 공유결합 도식화 Fig. 12-14 반도체의 밴드구조 [ 진성 반도체의 특징 ] < 2 eV free electron? Heavy doping 된 Si-wafer 의 carrier density? kT = 1/40 eV = 0.025 eV

24 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  진성 반도체에서 E g 와 electron-hole pair 형성기구의 개념도 공유결합의 파괴를 위한 E 는 클 것 임.

25 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  진성 반도체에서 전기전도의 수식화 : 식 (12-23) 과 식 (12-25) 의 차이 [ 진성 반도체에서 전기 전도식의 고전적 결론 ]  = n e  Attract, migrate, excite Current density, drift velocity n ~10 10 for intrinsic SC

26 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12. 7 Density of conduction e and h in intrinsic semiconductors  진성 반도체에서 온도변화에 따른 전기 전도도 변화의 수식 유도 [ 식 (12-34)] E v = 0 EcEc 1.0

27 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 식 (12-25) 에서 Exponential function Linearly temperature dependency

28 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control (12-34)  결론 : 온도증가에 따라 전기전도도가 증가함  이유 ? carrier 밀도 ? 유동도 ?  = n e 

29 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 300 K 에서 전기비저항을 알 때 523 K 에서 전기 전도도 계산

30 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12. 8 Extrinsic Semiconductors ( 불순물 반도체, 외래반도체, 결함반도체 ):  5 족 혹은 3 족 원소를 불순물로 doping 시키는것 : n 형 반도체 ? p 형 반도체 ? N-type: P, As, Sb,.. P-type: B, Al, Ga, In,.. 4 족인 Si matrix e h

31 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  불순물 반도체에서 donor level 과 acceptor level 의 위치 ? Typical 불순불 반도체의 에너지 밴드갭 (E d, E a ) 크기 ?  0.05 eV A representative element is ~ [in Si] [in Ge]

32 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12-9 Temp. dependence of carrier concentrations in 불순물 반도체  식 (12-36) 과 식 (12-37) 유도 As Change of E F dependence on Temp. 50% 가 excited 상태 [by def. of E F ]

33 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control Fig. 12-23. Carrier 농도 Fig. 12-24. 전기전도도  결론 : 불순물 반도체의 온도변화에 따른 carrier 농도 변화와 전기전도도 변화 A B C  Regime 의 구분과 의미 : A, B, C

34 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control N 형 반도체의 경우 500 K 에서 전도대의 전자농도 As 원자의 농도 전자기력 플레밍 왼손 법칙 도선이 자기장 속에서 받는 힘

35 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12-10 Hall Effects( 홀 효과 ): carrier 의 종류, 농도, 유동도를 측정하는 방법 전계 (Ex) 의 방향과 자계 (Bz) 의 방향이 수직일 때, Electron 의 진로가 힘의 방향으로 휘어짐.  Hall voltage(Ey) 가 발생. 전자기력 : ( 좌전, 우발 ) 플레밍 왼손 법칙 도선이 자기장 속에서 받는 힘 Ey = -Bz Ex μ (12-45)

36 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  Understanding of Fleming’s Left Hand Rule for Motor [ 전동기 ] [N  S] [ +  - ] [conductor] [ 참고자료 ]

37 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  R 의 부호  carrier 종류 [ 전자, 정공 ] 결정 Ey = -Bz Ex μ (12-45) Hall voltage 측정 1. Measure Ey  Calculate R 2. Using R  Calculate  3. Using R,   Calculate 

38 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control Hall effect 의 실제 적용예제  전자가 carrier  Carrier 농도  Carrier 유동도 [Should understand!!!]

39 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control 12-11 Applications of Structural Control: 반도체에서 defect 의 영향 ( 효과 )? Fig. 12-26 Dislocation-acceptor level. Fig. 12-27 Purification process.  Defect level 의 존재 때문에 재현성 있는 소자의 control 를 불가능 하게 함.  반도체에서 dislocation 은 전자 혹은 정공에 대한 trap 으로서의 역할을 하게 됨. 분배계수 : K = C s / C l <1  Zone Refining( 정제 ) 의 원리 Distribution coefficient Con. of impurity in solid (earlier solidified) is lower than liquid

40 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  Zone refining 를 여러 차례 하게 되면 봉의 앞쪽은 고순도, 뒤쪽은 불순물 덩어리  Zero-sum game  뒤쪽은 잘라서 제거함. Life = ?

41 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control  Preparation of Single Crystal ( 단결정 제조방법 ): Czochralski ( 죠크랄스키 ) technique? (single XL) T mp, Si =1414  C  Seed 재료의 orientation 에 따라 성장함. ** 성장하는 Si 의 결정방향은 Single XL 의 방위에 지배됨.

42 광전자기 성질 / 2016 학년도 봄학기 PUSAN NATIONAL UNIVERSITY 12. Applications of Structural Control [ 숙 제 ]  Text Book 의 내용이해 부분 1. Example 12-1 의 발열량 Q = J 2 /  를 유도과정을 기술하시오. 2. 식 (12-9) 의 유도과정을 기술하시오. 3. 식 (12-34) 의 유도과정을 기술하시오. 4. 식 (12-46) 의 유도과정을 기술하시오  예제문제 풀이 : 각자 이해한후 풀어서 제출요망  Example 12. 1 에서 12.7 까지.  중간고사 시험범위 및 내용 Textbook 의 내용이해 부분, Example 문제, 숙제부분 등 Due day : this class next week.