공돌이 재테크 창고

[역사적 시각] 1874년경에 금속 선을 황화금속(예를 들면 황철광) 표면에 눌러 붙이어 정류기를 만들 수 있었던 것이 관측되었다. 이들 정류기(고양이 콧수염 정류기)는 초창기 라디오에 사용되었다. 1935년까지 셀레늄 정류기들과 실리콘 점 접촉 다이오드들이 사용됐다. 그러나 이런 소자들은 신뢰성이 없었다. Purdue University와 Bell Labs. 들이 2차 세계대전 동안에 레이더 시스템에 사용된 게르마늄 다이오드를 생산했었다. 1949년에 W. Shockley가 pn 접합의 특성을 기술한 그의 논문을 발표했었다. [현대적 시각] pn 접합은 반도체 소자의 기본적 기초 요소로 지속하여 오고 있으며, pn 접합 이론은 아직 반도체 소자 물리학의 기초가 되어 있다. pn 접합은 그 자체가 비선형..

● 생성(generation) - 전자와 정공들(carrier)이 만들어지는 과정 ● 재결합(recombination) - 전자와 정공들(carrier)이 없어지는 과정 열평형 상태로부터 이탈은 반도체 내에 전자와 정공 농도의 변화를 가져오려고 한다. 예를 들면 갑작스러운 온도 상승은 열적 전자와 정공의 생성률을 증가시켜서 새로운 평형값에 도달할 때까지 변화하려고 한다. 빛(광자들의 플럭스)과 같이 외부적인 여기는 역시 전자와 정공들을 생성하여 비평형상태를 만들 수 있다. 생성과 재결합을 이해하기 위하여, 우선 직접적인 밴드와 밴드 간의 생성과 재결합을 고려하고, 다음으로 밴드 격차 내에 있는 트랩들이나 재결합 센터들이라고 하는 허용된 전자 에너지 상태들의 효과에 관하여 고려하려고 한다. [열평형 상태에..

반도체에 전류를 유기할 수 있는 drift에 더하여 두 번째 기구가 있다. 고전 물리적 예로써 용기가 얇은 막에 의하여 두 칸으로 분리되어 있다고 생각할 수 있다. 왼쪽은 어떤 특정 온도에서 기체 분자를 포함하고 있고 오른쪽은 처음에 비어있다. 기체 분자들은 연속적인 무작위 열운동을 하여 얇은 막이 부러지면 오른쪽 칸을 향하여 기체 분자들의 net current가 일어나게 된다. Diffusion이란 높은 농도의 영역에서 낮은 농도의 영역으로 입자들이 흐르는 과정을 말한다. 만약 기체 분자들이 전기적으로 대전 되어 있으면 순 전하 흐름은 diffusion 전류를 유발한다. [diffusion current density] 반도체에서의 확산 과정을 이해하기에 앞서 전자 농도가 1차원상에서 변화한다고 가정한..

[역사적 시각] 옴의 법칙은 1826년 Georg Simon Ohm에 의해 만들어졌으며 저항, 전압, 전류의 중요한 전기적 상관관계를 나타내주고 있다. 그런데 전자는 1890년대까지도 발견되지 않았다. 프랑스 물리학자 Jan Baptiste Perrin이 진공관 속에서의 전류는 음전하 입자들로 구성되어 있다는 사실을 보여주었다. 1900년대 초엽 금속 내부의 전자들은 전압이 인가될 때 자유롭게 움직인다는 생각이 금속에서의 전류 메커니즘으로서 연구됐다. 1928년에 Felix Bloch가 양자역학을 주기적 위치 함수에 적용하여 주기적인 결정체 속에서의 자유전자에 관한 개념을 보여주었다. 반도체에서 전자와 정공들의 이동은 반도체 소자 성능을 좌우하는 중요한 성질이다. [Carrier drift] 반도체에 인..

[도핑 농도 및 온도에 따른 EF의 변화] 페르미 에너지 준위의 위치를 도핑 농도의 함수로 그려볼 수 있다. 도핑이 증가하면 n형의 경우는 conduction band 쪽으로, p형의 경우는 valence band 쪽으로 페르미 에너지 준위가 접근한다. 페르미 에너지 준위에 대한 식은 볼츠만 근사를 가정한 것임을 기억하자. 페르미 에너지와 온도와의 관계를 살펴보자. 진성 carrier 농도 Ni는 온도에 따라 큰 영향을 받고 따라서 EF도 온도의 함수가 된다. Si에서 몇 가지 donor 및 억셉터 농도에 대해 온도에 따른 페르미 에너지 준위의 변화를 생각해보자. 온도가 올라가면 Ni도 커지고 EF는 진성 페르미 준위로 접근한다. 고온에서는 반도체가 불순물 반도체로서의 특성을 잃고 진성 반도체처럼 행동하..

우리는 앞에서 특정 에너지 상태가 전자로 채워져 있을 확률인 Fermi-Dirac 분포 함수를 주제로 공부하였다. 이제 이 함수를 다시 생각해보고 확률 통계를 donor와 억셉터 에너지 상태에 적용할 필요가 있다. [확률 함수] Fermi-Dirac 확률 함수를 유도할 때 사용했던 한 가지 가정은 오직 하나의 입자만이 하나의 양자 상태에 들어갈 수 있다는 파울리 배타율이었다. 이 파울리 배타율은 donor와 억셉터 상태에도 적용된다. Ni 개의 전자와 gi 개의 양자 상태를 고려해 보자. 여기서 첨자 i는 i번째 에너지 준위를 의미한다. 첫 번째 입자를 어디에 넣을 것인지 선택하는 방법은 gi 개만큼 있다. 각각의 donor 준위는 donor 전자에 대해 두 가지의 가능한 스핀 방향을 갖는다. 즉각 do..

우리는 진성 반도체(intrinsic semiconductor)를 결정 내에 불순물 원자가 없는 물질로 정의했다. 불순물 반도체(extrinsic semiconductor)는 조절된 양의 특정 dopant나 불순물 원자를 첨가하여 열평형 전자 농도나 저공 농도가 진성 carrier 농도와는 다른 반도체를 의미한다. 불순물 반도체에서는 어느 한 종류의 carrier가 다른 종류보다 훨씬 많이 존재한다. [전자와 정공의 평형 분포] donor나 억셉터 불순물 원자를 반도체에 첨가하면 전자나 정공의 분포가 변화한다. Fermi 에너지는 분포 함수와 관련이 있으므로 dopant 원자가 첨가되면 fermi 에너지도 변화한다. Fermi 에너지가 중간차이 값에서 벗어나면 conduction band에서의 전자 밀도..

진성 반도체는 흥미로운 물질임이 분명하지만 실제로 반도체의 능력은 조절된 소량의 특정 도펀트(dopant) 원자, 즉 불순물을 첨가함으로써 실현된다. 이러한 도핑 공정은 반도체의 전기적 특성을 엄청나게 변화시킨다. 불순물 반도체(extrinsic semiconductor)라고도 불리는 이와 같은 도핑된 반도체를 만들 수 있으므로 앞으로 살펴볼 다양한 반도체 소자들을 만들 수 있는 것이다. [정성적인 기술] 앞에서 우리는 Si의 공유 결합을 공부했고, 단결정 Si 격자의 2차원 표현에 대해서도 살펴보았다. 이제 치환 불순물로서 P(인)와 같은 V 족 원소를 첨가해보자. V 족 원소는 5개의 가전 자를 갖는데 이 중 4개는 Si 원자와의 공유 결합에 참여하고 나머지 한 개의 전자는 P 원자에 약하게 결합하여..

[평형 상태의 반도체] 앞에서 설명한 개념들을 반도체에 적용하여 생각할 것이다. 특히 conduction band에서의 전자 농도와 valence band에서의 정공 농도를 결정하는 데에 Fermi-Dirac 확률 함수와 함께 conduction band 및 valence band에서의 양자 상태 밀도를 이용할 것이다. 또한, 페르미 에너지의 개념도 반도체에 적용할 것이다. 평형 상태의 반도체도 다룰 것이다. 평형, 즉 열평형 상태란 전압, 전계, 온도 기울기 등과 같은 외부의 힘이 반도체에 작용하고 있지 않은 상태를 의미한다. 이 경우 모든 반도체 성질들은 시간에 무관하다. 평형은 반도체 물리를 공부하는 데 있어 출발점이 된다. 이로부터 반도체에 전압이 인가되는 경우와 같이 평형이 깨질 때 나타나는 특..

[주기율표] 주기율표의 시작 부분에 있는 원소들은 1개의 전자를 갖는 원자에 추가적인 두 가지 개념을 이용하여 결정할 수 있다. 첫 번째 필요한 개념은 전자스핀(electron spin)이다. 전자는 양자화되어 있고 두 가지 값 중 하나를 취할 수 있는 고유의 각운동량, 즉 스핀을 가지고 있다. 스핀은 양자수 s로 표현하고 +1/2이나 -1/2의 값을 갖는다. 따라서 이제 n, l, m, s, 4개의 기본 양자수가 존재한다. 두 번째 개념은 파울리 배타율(Pauli exclusion principle)이다. 파울리 배타율이란 임의의 주어진 시스템(원자, 분자, 결정)에서 2개 이상의 전자가 같은 양자 상태를 가질 수 없다는 것을 의미한다. 우리는 이 배타율이, 전자들이 결정 내의 가능한 에너지 상태에 어..