[반도체 소자] 반도체 기초-2
2. 캐리어(Carrier)
: 전하 운반자, 정공&전자 (hole & electron)
1) 캐리어의 운동
- 캐리어의 열적 운동: 열에너지에 의한 랜덤 운동-> net 속도=0-> 전류 x
- Drift: 외부전계 인가에 의한 운동
- Drift 속도: v(n)=-µ(n)*E
v(p)=µ(p)*E
강전계 (10^3V/cm) 이상시 속도 포화-에너지가 격자로 전달되기 때문
- 캐리어 이동도(µ, carrier mobility)
: 정공 이동도 µ(p) < 전자 이동도 µ(n)
온도 증가 시 캐리어 이동도 증가- dopant 이온과 쿨롱 힘에 의한 상호작용 줄어듦
-> 불순물 산란(Impurity scattering) 줄어듬-> 이동도 증가
어느 정도 이상 고온 시 이동도 감소- 고온으로 인한 격자진동-> 격자 산란(Lattice scattering)-> 이동도 감소
도핑 농도 증가 시 이동도 감소- 불순물 산란 증가-> 이동도 감소
2) 캐리어 농도
- 캐리어 농도= 에너지 상태 밀도(N)*확률 함수 (∫ N(E)*f(E) dE)
전자 캐리어 농도(n)= Nc*f(E)
정공 캐리어 농도(p)= Nv*(1-f(E))
- n= Nc*exp(Ec-Ef)/kT
p= Nv*exp(Ef-Ev)/kT
- 평형상태에서 진성반도체의 캐리어 농도(ni)=n=p
평형상태에서 ni^2=n*p : 캐리어 한쪽이 증가하면 다른 쪽은 줄어든다.
전도대의 전자 농도가 너무 높아지면 가 전자대로 내려와 정공과 결합
-> ni=√NcNv * exp(-Eg/kT)
n=ni * exp(Ef-Ei)/kT
p=ni * exp(Ei-Ef)/kT *Ei=진성반도체에서의 페르미 레벨
3) 진성반도체(Intrinsic semiconductor)
: 불순물, 결함 없는 순수한 반도체
- 절대온도(0K) 이상에서 전하 정공 쌍 생김
- 평형상태에서 진성 캐리어 농도 ni=n=p
ni=√NcNv * exp(-Eg/kT) : 온도와 비례, 에너지 밴드갭과 반비례
4) 외인성 반도체(Extrinsic semiconductor)
: 진성 반도체에 불순물(dopant)을 주입해 전기전도도를 조절
- 공간 전하 중성 조건(Space charge neutrality)
: n + Na(-) =p + Nd(+) *Na(-)= acceptor 음이온 농도, Nd(+)=donor 양이온 농도
-> 평형상태에서 반도체는 전체 전하 중립성 유지
- P-type 반도체
: 3족 원소(Acceptor)를 주입한 반도체
다수 캐리어-정공,
페르미 레벨 감소(Acceptor level)
- N-type 반도체
: 5족 원소(Donor)를 주입한 반도체
다수 캐리어-전자, 소수 캐리어-정공
페르미 레벨 상승(Donor level)
5) 보상(Compensation)
: Acceptor와 Donor 도핑이 동시에 이루어진 경우 농도가 큰 불순물과 작은 불순물의 차이를 도핑 농도로 정의
if Nd> Na, N'd= Nd-Na
if Na> Nd, N'a= Na-Nd
6) 캐리어 농도의 온도 의존성
- 이온화 영역: 매우 낮은 온도에서는 불순물이 완전히 이온화되지 않음(donor의 전자가 donor에 구속)
온도 증가에 따라 불순물이 이온화되며 캐리어 농도 증가
- 외인성 영역(Extrinsic regime): 완전 이온화 후 불순물에 의한 캐리어 농도 포화
- 진성 영역(Intrinsic regime): 고온에서 진성 캐리어 형성
- 도핑에 의한 캐리어 조절이 안정적이므로 소자 동작 온도는 외인성 영역보다 훨씬 낮게 한다.