반도체 물성 - 반도체의 전기적 특성

반도체의 전기적 특성

○ 캐리어의 이동 요인인은 드리프트(Drift), 확산(Diffusion), 열적 이동 3가지가 존재합니다.

○ 그리고 캐리어의 이동은 전류의 흐름과 같습니다.

1. 드리프트(Drift)

○ 전계(Electric Field : E-Field)에 의한 전하의 이동을 의미합니다.

○ 인가된 전압에 의해 전계가 생성되고, 전계에 의해 전자는 양극으로, 정공은 음극으로 이동하는 현상입니다.

○ 이런 현상으로 생성된 전류를 드리프트 전류라고 하며, 이동도가 높을수록 E-Field가 강할수록 전류가 커집니다.

○ 드리프트 전류는 일반적으로 E-Field에 선형적으로 증가하지만, Carrier Scattering에 의해 일정 속도 이상 증가하지 않습니다.

2. 확산(Diffusion)

○ 농도차에 의한 전하의 흐름입니다.

○ 즉 전자와 정공의 분포가 불균일해 발생하는 현상이며, 캐리어 종류와 관계없이 캐리어가 높은 농도 영역에서 낮은 농도 영역으로 이동하게 됩니다.

○ 흔히 우리가 알고 있는 확산과 같다고 생각하시면 됩니다.

3. 열적 이동

○ 안정된 상태의 반도체에 열 에너지를 가하면, 원자의 열진동이 일어나는데 이에 캐리어가 이동하는 현상입니다.

○ 이런 현상으로 생성된 전자와 정공은 열적으로 생성되었다고 하며, (열적 생성)

○ 열적 생성된 캐리어는 랜덤적인 운동을 하게 됩니다. 즉 열적생성된 캐리어는 드리프트와 확산에 의해 생성된 캐리어와 달리 캐리어 운동에 방향성이 없습니다.

○ 열적으로 생성된 전자와 정공은 계속적인 랜덤 운동을 하다가 우연히 만나면 재결합하게 됩니다.

○ 열평형 상태에서는 열 생성률과 재결합률이 동일한 상태를 의미합니다. 즉 생성되는 캐리어 수와 결합되는 캐리어 수가 같은 상태입니다.

반도체 전기적 특성 추가 지식

1. Carrier Scattering

○ 캐리어의 산란을 의미하며, Phonon Scattering과 Impurity Scatteirng으로 나눌 수 있습니다.

○  Phonon Scattering이란 결정의 진동이 결정의 구조를 왜곡시키게 되고, 이에따라 전자 파동을 산란시키는 현상입니다.

○ Phnon Scattering은 도핑 농도가 낮을 때 영향을 많이 받는 Scattering 입니다.

○ Impurity Scattering이란 불순물에 의한 산란으로 불순물이 많을수록 많이 산란되는 것을 의미합니다.

○ Impurity Scattering은 불순물에 의한 만큼 도핑 농도가 높을 때 영향을 많이 받는 Scattering 입니다.

○ 두 Scattering 모두 캐리어의 이동도를 감소시키는 공통점이 있습니다. 

 

2. Mean Free Path

○ 전자와 정공이 어떤 입자와 한 번 부딪친 다음 다른 입자와 부딪칠 때까지 이동하는 평균 거리를 의미합니다.

3. 이동도(Mobility)

○ 물질 내 캐리어가 움직이기 쉬운 정도로 전계당 캐리어의 속도로 측정됩니다.

○ 이동도에 영향을 주는 원인 중 하나는 결정체의 구조로 결정 구조가 불완전할 시 캐리어의 이동을 방해하기 때문입니다.

○ 이동도는 저온에서 고온으로 온도를 높이게 되면 증가하지만, 어느 순간부터 고온으로 갈수록 이동도가 감소하는데, 이는 증가된 캐리어 속도 때문에 Mean Free Path가 감소하기 때문입니다.

4. 도전율(Conductivity)

○ 전류의 흐름을 허락해주는 정도입니다.

○ 즉 도전율이 높을수록 전류가 잘 흐르는 물체라는 뜻입니다.

○ 전류의 흐름을 막는 정도인 저항과 반대되는 개념이라고 생각하시면 됩니다.

○ 반도체 내 도전율은 캐리어의 전하 밀도와 이동도에 의존합니다. 즉 캐리어의 전하 밀도가 클수록 이동도가 높을수록 도전율이 큽니다.

5. 생성 & 재결합(Generation & Recombination)

○ 생성은 전자와 정공이 만들어지는 현상이며,

○ 재결합은 자유 운동적인 전자와 정공이 마주쳐서 고유 결합을 복구하는 현상입니다.

○ 다이오드의 일종인 LED(Light Emitting Diode)는 재결합 시 특정 파장의 빛을 내는 다이오드입니다.