Semiconductor

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Basic of Semiconductor

Different charge가 만나면 전류가 흐른다. 이런 성질을 이용하여 만든 것이 반도체이다.

반도체의 원료는 흔히 Silicon(Si)이 쓰인다.

Silicon으로 만들어진 Waper

전하의 흐름을 만들기 위한 방법으로는 크게 세가지 방법이 있다.

 

1. 온도를 높혀서 전자가 움직이도록 만들기

2. 빛을 쏴서 광전효과로 전자를 이동 시키기

3. Doping을 통해 전류가 흐르도록하기

 

당연히도 이중 3번째 방식인 Doping이 가장 효과적이고 경제적이어서 현재 반대체는 Doping을 이용하여 만들어진다.

 

반도체는 4족원소인 Silicon을 기반으로 Doping을 통해 만드는데 Doping을 하기전 Silicon판을 waper라고 부른다. 이 판은 우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 모래를 정제하여 만들어진다.

실리콘을 확대해보면 아래와 같이 안정적인 구조를 갖고 있다. 이는 실리콘이 4족원소임을 잘 보여준다.

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Doping

왼쪽의 n형 반도체는 5족 원소가 도핑이 되어 자유 전자가 존재하게 되고 오른쪽의 p형 반도체는 3족 원소가 도핑이 되어 양공이 존재하게 된다. 여기서 양공은 개념적인 내용이다. 전자가 비어서 자연스럽게 +극을 띄는 양의 무언가가 움직이는 것처럼 보이지만 사실 이동은 전자가 하고 그 빈공간이 마치 양성의 무언가가 움직이는 것처럼 보여 이를 양공이라 칭하게 되었다.

p형 반도체를 만들때는 3족 원소중 흔히 Gallium(Ga)와 Indium(In)이 쓰이고, n형 반도체를 만들때는 5족 원소중 흔히 Phosphorus(P)와 As(Arsenic)이 쓰인다.

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Transport of Carriers

전자와 양공을 전류가 흐르도록 해주는 carrier라고 부르는데 carrier의 이동방식은 Drift와 Diffusion 두가지가 있다.

Drift                                                                                                                                     Diffusion

Drift는 전기장 내에서의 전하 운반을 의미한다. 반도체 내에 전압을 가하면 전기장이 형성되고, 이 전기장에 의해 전자나 정공이 이동하게 된다. 전하의 이동 속도, 즉 드리프트 속도는 전기장의 크기에 비례하며, 이는 모빌리티와도 연관이 있다.

여기서 v는 드리프트 속도, μ는 모빌리티 (전자나 정공의 운반 능력), E는 전기장의 세기를 나타낸다.

 

Diffusion은 농도 차이로 인한 전하 운반을 의미한다. 만약 반도체 내에서 전자나 정공의 농도가 한쪽은 높고 다른 한쪽은 낮다면, 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전자나 정공이 이동하려고 한다. Diffusion에 의한 전류는 페르마이어-디릭스 통계와 농도 경사에 의해 결정된다.

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