물리전자

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송희 나
4 years ago
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1 물리전자 전자공학부 권영규

전력공학 물리전자 반도체물성 반도체소자 미세소자응용 전자기학 반도체공정 RF/ 초고주파회로 장자장 초고주파공학 안테나공학

2 학습로드맵 선형시스템이론 메카트로닉스 선형네트워크및시스템 제어공학 디지털제어 제어시스템설계 인공지능 데이터통신 디지털통신 유선통신 로봇공학 신호및시스템 이동통신공학 통신이론 컴퓨터네트워크 광통신공학 디지털신호처리 반도체공학 디스플레이공학 회로이론 전력공학 물리전자 반도체물성 반도체소자 미세소자응용 전자기학 반도체공정 RF/ 초고주파회로 장자장 초고주파공학 안테나공학 전자회로 1 전자회로 2 아날로그집적회로 디지털집적회로 VLSI ASIC 설계 논리회로 티지털시스템설계 컴퓨터구조 마이크로프로세스

3 전자소자의응용분야 컴퓨터 PC, WS, 인터넷 산업 로봇자동화시스템에너지변환기기 에너지 태얀전지, 연료전지, 전력기기 반도체소자 자동차 운송 Car electroics, 자동항범장치, 전동차운행, 관제시스템 사무실 OA 시스템, 복사기, 계산기, LAN 통신 전화, FAX, 광통신, ISBN 가 정 HA 시스템, TV VTR, 에어컨, 게임기, 디지털카메라, 워드프로세스등

4 제 1 장반도체공학의기초 반도체로만들어지는전자소자 Diode, Trasistor, 집적회로 (IC) 등 학습내용 -반도체의종류와성질 -반도체내에서전하의이동 -전자의입자성과파동성 -Schrödiger 방정식의유도

5 반도체와그종류 반도체의특징 반도체재료 반도체결정 반도체용어

6 반도체의특징 반도체의저항률은금속과절연체의중간이다. S 1m 1m L R 1m L [ m] R [ m] 2 S [ m ] 1 1 저항률전도율 [ Sm ] 각종재료의저항률 [ m] 구리 (Cu) 반도체자기

7 반도체의특징 반도체의전기저항은온도계수가매우크고, 음 (-) 영역이존재한다. 반도체의저항은온도가올라가면작아진다. 저항값 반도체 금속 금속은일반적으로온도가올라가면커진다. 온도

8 반도체의특징 반도체는불순물에대한영향이매우크다 저항률 Ge 100 만개에 I 1 개를첨가하면저항률은 1/200 로감소한다. 불순물량

9 반도체의특징 반도체는빛이나열에매우민감하다 빛 열 빛을쪼이면저항이변한다. 온도차를주면기전력이발생한다.

10 반도체재료 단원소재료 화합물반도체 IV 족원소 Ge : 다이오드, 트랜지스터 : 다이오드, 트랜지스터, IC 대표적인반도체재료로사용 VI 족원소 Se : 광전지, 정류기 II-VI 족원소 ZO : 압전소자 ZS : EL 셀 CdS : 광도전셀 III-V 족원소 GaAs : 마이크로파발진소자, 레이저다이오드 GaP : 발광다이오드

11 반도체결정, Ge 와같은전형적인반도체결정의특징 4 개의가전자를가진다. 공유결합을한다. Ge 가전자 어느쪽이던가전자는 4 개이다. 가전자

12 반도체결정 반도체결정구조는다이아몬드구조이다 단위셀에는 18 개의원자가기여하고있다 a=5.4å 격자상수 실리콘의경우격자상수는 5.4Å 이다.

13 반도체결정 원자를하나의구라고생각할때다이아몬드구조의단위셀에는실제 8 개의원자가포함되어있다 a=5.4 Å 각모서리의원자는 1/8 만이단위셀에포함된다. 1, 2, 3, 4, 14, 15,16,17 번원자 각면에있는원자는 1/2 만이단위셀에포함된다. 5, 8, 9, 10, 11, 18 번원자 1 번을 (0,0,0) 이라할때 ( ¼, ¼, ¼) 인곳과 ( ¾, ¾, ¼) 곳에각각 1 개의원자가있다. 6, 7 번원자 1 번을 (0,0,0) 이라할때 ( ¾, ¼, ¾) 인곳과 ( ¾, ¾, ¾) 곳에각각 1 개의원자가있다. 12, 13 번원자

14 반도체결정 원자는주위의 4 개원자와공유결합한다. 6 번원자는 1, 5, 8, 11 번과공유한다 a=5.4 Å 번원자는 3, 5, 9, 10 번과공유한다. 5

15 진성반도체 불순물을포함하지않는순수한결정, 또는불순물의영향을받지않는전기적인특성을갖는반도체 자유전자 가전자 정공 온도가낮을때 인접한원자끼리가전자를공유하여안정된결정을구성한다. 온도가높을때 가전자가열에너지를받아결합을끊고자유전자가되고정공을생성한다.

16 진성반도체의특징 가전자한개가떠난자리에정공이한개생성된다 p 는전자의농도 p 는정공의농도 가전자 자유전자 자유전자는자유롭게결정사이를이동하며 (-) 전하를띤다. 정공 정공은전자가떠난빈자리로양 (+) 의전하를띤질량을갖는입자처럼작용하며근접한전자와자리를바꾸면서이동한다. 반도체의전기전도는전자와정공의이동에의해서이루어지며전자와정공이전하를운반하는입자로볼수있으므로이것을케이어라고부른다.

17 정공의이동 가전자한개가떠난자리에정공이한개생성된다 + - EHP Electro- Hole Pair 정공이양 (+) 의전하를가지므로옆의전자가정전기력에끌려빈자리를채운다 결합을벗어난자유전자는결정내를자유롭게이동할수있다

18 불순물반도체 반도체의전기적성질이불순물에의해서결정된다. 전자농도 이정공농도 p 보다크면 형반도체이고작으면 p 형반도체이다. N 형반도체 진성반도체에 5 가의불순물이들어가면전자한개가공유결합을하지않고남게된다. Sb Sb

19 N 형반도체의특징 p 전자농도 이정공농도 p 보다크다. Ⅳ 족인실리콘에 Ⅴ 족인 Sb, As, P 등을첨가하여 형반도체를만든다. Ⅴ 불순물 Sb 전자한개가남는다. Sb 자유전자가된다. 진성반도체실리콘 p 불순물반도체 ( 형 ) Ⅴ 가의불순물을첨가한다. 다수캐리어 소수캐리어

20 p 형반도체의특징 p 전자농도 이정공농도 p 보다작다. Ⅳ 족인실리콘에 Ⅲ 족인 B, I, Al 등을첨가하여 p 형반도체를만든다. Ⅲ 불순물 I 전자한개가부족 I 빈자리가생긴다. 진성반도체실리콘 빈자리를정공이라한다 불순물반도체 ( 형 ) 정공은양 (+) 의전하을띠는입자이다. Ⅲ가의불순물을첨가한다. 다수캐리어 p 소수캐리어

21 반도체용어 전자, 정공, 도너, 억셉터, 캐리어, 도핑, 화합물반도체, 진성반도체, 불순물반도체, 보상형반도체, 도너 : 반도체에첨가되어자유전자를생성하는불순물 억셉터 : 반도체에첨가되어정공을생성하는불순물 Sb I Sb, As, P I, B, Al 도핑 : 원하는전기적특성을얻기위해반도체를불순물을첨가하는일 Sb P I I N 형 P 형

22 반도체용어 전자, 정공, 도너, 억셉터, 캐리어, 도핑, 화합물반도체, 진성반도체, 불순물반도체, 보상형진성반도체, 보상형진성반도체 : 도너가첨기된반도체에억셉터를첨가하여전기적특성이진성반도체와유사한반도체 P P I P N 형 I 보상형진성반도체 I P 형 I Sb I Sb 보상형진성 반도체

23 제 2 장 고체에서전자의에너지준위와운동 학습내용 파동방정식을풀어서에너지준위를구한다. 에너지밴드에서전자의거동을알아본다. 전자의질량이에너지밴드안에서변하는것을알아본다.

24 고체의에너지밴드 고립된원자에구속되어있는전자는불연속적인선모양의에너지를취할수있다. E 에너지준위 전자가취할수있는에너지상태 고체안에구속되어있는전자는띠모양의불연속적인에너지를취할수있다. E 에너지밴드 에너지준위가모여서띠모양을만든상태

25 금속의자유전자모델 실제퍼텐셜 퍼텐셜 금속에는자유롭게움직일수있는전자가매우많다. 모든자유전자는원자핵의속박을받지않는다 E 근사과정 근사퍼텐셜 자유전자가퍼텐셜우물안에구속되어있는것으로근사할수있다. 0 x L

26 Schrödiger 방정식의해 경계조건 U 0 금속안에서전자의퍼텐셜에너지는 0 이다. 0 x L U 0 금속표면과외부의퍼텐설에너지는 이다. 0 x L x 0 및 x L U 파동방정식 p k 0 E 2m 2m 2 m 2 E 일반해 Ae jkx Be jkx

27 U 0 jkx jkx Ae Be 오른쪽으로진행파 왼쪽으로진행파 0 x L 경계조건에따르면진행파는장벽을침투하지못한다. x 0 0 AB x L 0 si kl 0 파동함수 k L C si x L ( 0, 1, 2, )

28 파동함수의형태 C si x L C 는임의의상수다. 규격화조건으로부터 C 를구한다. 0 L 2 dx 1 전자는퍼텐셜우물안에반듯이있어야한다. 0 만약 0 이면파동함수가의미가없다. 그래서 C 2 L 1/ 2 1/ 2 2 si x L L ( 1, 2, ) 파수벡터 k L ( 1, 2, )

29 전자가취할수있는에너지 E p k 2m 2m k L E =4 E =4 금지된에너지 허용된에너지 3 k( / L) L 전자가취하는에너지는곡선상에불연속적으로띄엄띄엄분포한다. 파수가클수록에너지는크다.

30 Bohr 의수소원자모델 가정 1 전자는핵주위의안정된원형궤도에존재한다. 이경우궤도전자는각가속도를받는전하에대해서복사에너지는방출하지않는다 복사에너지를방출한다면전자는에너지를잃게되어선회하며핵으로들어가게된다. 가정 2 전자는에너지가높거나낮은궤도로이동할수있으며이때에너지를흡수하거나방출한다. h E 2 h E E 2 1 E 1

31 가정 3 궤도에있는전자의각운동량은언제나프랑크상수를 2 로나눈것의정수배이다. p 1,2,3, r q 반지름 r 인안정된궤도에있는전자와핵사이의정전기력은원심력과같다. q q Kr mv r K 4 0 가정 3 에따라 p mvr 는정수값만을취하기때문에 번째궤도에있는전자의운동량은 mv r 2

32 반도체에서캐리어의거동 산란 발생 재결합

33 캐리어의발생ㆍ산란ㆍ재결합 반도체에서캐리어는불규칙한발생ㆍ산란ㆍ재결합을되풀이한다. 이러한캐리어의거동은평균값을이용하여통계적으로다룬다. 산란 열평형상태 발생 재결합 C N e C F p N e V 2 p i ( E E ) / kt F ( E E ) / kt V 열평형상태는캐리어의발생수와재결합의수가같으며그농도의곱이진성캐리어농도의제곱과같은상태를말한다.

34 캐리어의발생 열이나빛에의한여기 전자 전자 에너지 에너지 + + 에너지 - - 정공 정공 가전자대나불순물원자에속박된전자는에너지 ( 열이나빛 ) 를받아전도대로여기되어전도전자가되며전도대나불순물원자에전자를여기시킨가전자대에는정공이생성된다. 전도전자와정공을캐리어라고한다.

35 전극으로부터주입 반도체혹은전도형이다른반도체의접합에외부로부터전계를인가하여강제적으로캐리어를주입한다. 주입되는정공 p 형 형 영역에서주입된전자 p 영역에서주입된정공

36 캐리어의산란 캐리어의산란이란운동방향이변하는것을말한다. 격자산란 불순물산란 I - + Sb 저속전자 I - 고속전자 결정격자를구성하는원자가열적인진동 ( 포논 ) 과충돌하여전자의운동방향이변하는것을격자산란이라한다. 불순물이온의쿨롱력에의해캐리어의운동방향이변하는것을불순물산란이라한다. 불순물산란은열속도저온에서지배적이다 ( mv kt ) 가저속인 기타산란기구에는결정결함에의한산란, 계면ㆍ표면에의한산란, 캐리어상호간의산란등이있다.

37 캐리어재결합 캐리어재결합이란전도전자와정공이만나서소멸하는것을말한다. 전자 전자 전자 재결합중심 정공 정공 정공 직접재결합내부재결합표면재결합 재결합중심은전자와정공을재결합시키는매개에너지준위를말한다.

38 열평형상태 열평형상태에서는캐리어의발생과재결합이같은비율로일어남으로다음과같은관계식이성립한다. g m 3 [ / s] r m 3 [ / s] R m 3 [ / s] g r g R0p 0 0 발생율 : 단위체적에서전도전자와정공쌍이발생하는시간적인비율 재결합율 : 단위체적에서전도전자와정공이재결합하는시간적비율 재결합계수 : 단위시간에재결합하는비율 g r R p R i 300K 에있어서재결합중심을포함하지않는진성반도체에서발생율 11 3 g cm / s 13 3 g cm / s 실리콘 () 게르마늄 (Ge)

39 비평형상태 캐리어농도가열평형상태의농도보다많이존재하는상태과잉소수캐리어반도체에밴드갭에너지보다큰에너지의빛이입사하면 EHP가생성된다. 생성된과잉소수캐리어 h E g p 형반도체 p p E g 생성된과잉다수캐리어 E C E V 과잉생성된전자가소수캐리어보다많으며확산에의해이동한다. 확산하는소수캐리어는도중에다수캐리어와재결합으로소멸한다. 과잉생성된정공은다수캐리어에비하면무시할수있으므로저항률변화에영향을미치지못한다. 결과적으로과잉소수캐리어가전기적특성을지배하게된다.

40 과잉캐리어농도 생성된과잉캐리어는외부로부터여기에너지가단절되면재결합에의해소멸됨으로시간이지날수록농도가감소한다. 단위체적에서과잉캐리어의시간적변화율 g p p 단위체적 r 측면에서출입은무시 발생율 g은여기에너지가없어지면반도체의온도에상당하는열에너지에의해발생이계속된다. g g r t r r R p 0 0 Rp 재결합율은열평형상태일때보다일시적으로커진다. 재결합율은단위체적존재하는두캐리어농도의곱에비례한다.

41 R0 p0 R( 0 )( p p) p t R p R[ p ( p ) R( p ) 0 0 작은것끼리의곱은무시 과잉전자의시간적변화를표현하는미분방정식 R( 0 p0) t 0 최초의과잉전자가시간이지나면서재결합하면서소멸한다. 미분방정식의초기조건 0, t / 0e t 0 lifetime 1 R( p ) 0 0 e % t 최초값의 36.8% 까지감소하는데걸리는시간을캐리어이수명이라한다.

42 재결합문제의사례 진성실리콘에서전자의수명을구하라.(300K) 1 R( p ) 0 0 대입 g R p R i 2 i g( p ) 0 0 진성반도체 p 0 0 i 2 i 2g i cm g 210 cm / s 2 10 i g s 진성실리콘에서전자의수명은 3.75s 이다. 실제측정한값보다 3 차수정도작다. 그이유는실제반도체에는재결합중심이다량존재하고있음을나타낸다.

43 전 (total) 전자농도의시간변화 R( 0 p0) t 0 1 R( p ) 0 0 t 0 빛이나열이외의원인에의해서발생하는캐리어발생율 G 를고려하면 G t 0

44 열펼형상태에있는 p 형 에 t=0 에서빛을조사하였다. 캐리어생성율 G 는 의전영역에서균일할때캐리어농도의시간적변화를구하라. 의전자농도 전자농도의시간적변화 Bt Ae C 정상상태에서캐리어의유효증가분은다음과같다. Bt e Bt 1 ( Bt ABe G Ae C 0 ) 의계수로부터 B 1/ G cm 3 [ ] C G 상수항을정리하면 0 t 0, 초기조건 0 A 0 C G G [1 exp( t / )] 정상상태 t G 0 0 G t / 0 0 G (1 e ) t 가되면전자농도 은최초의값 0 보다 G 만큼증가함을알수있다. 0 t

45 재결합중심과포획중심 불순물이반도체에첨가되면재결합중심으로활동한다. 불순물농도가증가하면그것에반비례하여캐리어의수명은짧아진다. 수명 p 형 진성 형 재결합중심과포획중심 억셉터농도 0 도너농도 재결합중심은전자와정공을재결합시키는매개에너지준위 재결합중심 포획중심 포획준위는캐리어를일시적으로포획하여재결합전에재방출하는에너지준위

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PowerPoint Presentation 전자회로 SEMICONDUCTOR P 1 @ INDEX 1. Conductors, Insulators, Semiconductors 2. Conduction in Semiconductors 3. The N-Type and P-Type Semiconductors 4. The PN Junction P 2 1.1 Conductors Insulators Semiconductors