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반도체 잘 아시는 분 도움 좀 주세요

SPiNiN 작성일 14.05.21 22:43:43

댓글 13조회 2,809추천 2

https://www.jjang0u.com/board/view/talk/14080552

그래프는 y축 캐리어농도 x축 거리입니다

오른쪽은 p타입 왼쪽은 n타입이고 pn정션입니다

가운데 뻥 뚫린 곳은 공핍층인데 어떠한 thermal 제너레이션 리콩비네이션도 없습니다.

이 부분은 이해가 됩니다.
N쪽에서 소수 캐리어 p는 10의 2승개 존재했었는데
포워드 바이어스에 의해서 초과 캐리어가 각각 생겼고 p쪽에서 초과 p들이 농도차에 의해 확산되어 n으로 들어와 10의 12개만큼 생겼고 확산거리에 따라 익스포넨셜리 감소합니다.

하지만 n타입에서 n은 10의 18개로 p타입의 n보다는 훨씬 많으니 이 역시 p로 확산해야하지 않나요?

그런데 교수님은 소수 캐리어와 같은 크기 만큼의 다수캐리어가 들어온다고해서 이 부분이 잘 이해가 가지 않네요

혹시 이 가정인가요?

소수 초과 캐리어의 공급으로 차지 뉴트랄리티가 깨지고 순간적으로 각 타입에는 포텐셜 차이가 생겨 필드가 생기고 필드에 따라 다수 캐리어가 이동하여 결국 소수캐리어의 익스포넨셜과 마찬가지로 다수캐리어의 농도가 정해지고 steady state가 되는 건가요?

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치맥14.05.21 23:24:44 댓글

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도펀트..음..네 다음분이 설명해주실겁니다
유시칸14.05.22 00:52:51 댓글

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안녕하세요? 반도체공학을 들으시는 걸 보니 원래 적성에 맞는다던 영역을 선택해서 진로를 정하신 모양이네요? 열심히 하시길 바래요~

질문하신 내용을 보니 용어에 대한 정확한 개념이 다소 어긋나 있어서 전체를 파악하는 데도 영향을 미치는 것 같은데요, 일단 반도체 소자의 가장 기본적인 구조인 PN 정션의 동작은 바이어스 전과 바이어스 후로 명확히 구분하여 이해해야 합니다. 질문에는 이것이 짬뽕이 되어 잇어 스스로 사고에 혼란을 주고 있는 듯 하네요.

확산(디퓨젼)에 의한 전하의 이동은 바이어스가 개입되지 않은 순수한 pn 접합만이 이루어진 상태에서만 그 의미가 유효합니다. 순방향 바이어스가 걸려서 드리프트에 의해 엑세스 케리어들이 서로의 영역으로 이동하여 전류가 흐르게 되면 디퓨젼에 의한 전류는 그야말로 개무시됩니다. 무지하게 작은 양이거든요. 그리고 디퓨젼에 의한 전하의 이동은 그 범위가 디플리션 영역에 국한되어 있습니다. 그리고 서로 재결합하지도 않고 각 영역의 경계면에서 대전 상태를 유지하게 되죠. 물질이 뭔가 남아돌거나(도너) 모자라면(업셉터), 다시 말해 뭔가 불안정하면 안정하려는 성질(다시 말해 열평형상태를 이루려고 하는 자연의 섭리에 의해)에 의해 냅다 상대편 쪽으로 내달리려 하지만 중간에 떠억 하니 내부전위 장벽이 가로막고 있죠. 순방향 바이어스가 걸려서 내부 전위장벽이 무너지지 않은 상태에선 전하의 이동은 디플리션 영역에 국한되고, 그 이동 동력은 농도차에 의한 확산 뿐입니다.
그런데 질문에는 전계가 걸려 드리프트가 케리어 이동을 주관하는 상황과 단지 접합만이 이루어져 디퓨젼에 의한 케리어 이동상황을 짬뽕을 해서 설명하고 있습니다. 이걸 구분해서 이해하면 매우 단순한 이야기가 됩니다요.
SPiNiN14.05.22 01:11:40 댓글

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안녕하세요~! 그 때 답변 해주신 분이시네요!
저 진로를 이쪽으로 정한 것은 아니고 3학년 때 듣는 게 이 수업이라 듣는데, 교수님께서 깊고 하나 하나 알려주셔서 잘 듣다가 교수님께 제가 질문 드리니 너무 화내셔서 이 쪽으로 계속 들으려다가 이번 학기만 들을 생각으로 하고 있습니다 ㅎㅎ...

음... 질문에 대해서 여쭤봐도 될까요?

1. 확산(디퓨젼)에 의한 전하의 이동은 바이어스가 개입되지 않은 순수한 pn 접합만이 이루어진 상태에서만 그 의미가 유효합니다.

- 수업 시간에 배우기를, 포워드 일 때는 장벽이 낮아지기 때문에 diffusion할 수 있는 minority carrier는 exponentially증가하고, Majority carrier는 일정하게 남아있기 때문에, 포워드 일 때 흐르는 전류는 거의 diffusion current이고 리버스 일 때 흐르는 전류는 built in potential이 커져, diffusion할 수 있는 양이 주는 반면에 drift할 수 있는 양은 일정하여, saturation drift current가 흐른다고 배웠습니다.
확산에 의한 전하의 이동은 바이어스가 개입되지 않았을 때 의미가 유효하다고 하셨는데, 배운 것과 너무 달라서 이해가 잘 안 되네요...
유시칸14.05.22 17:51:03

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정확하게는 PN 정션에서 확산은 두 가지 형태가 있습니다.하나는 바이어스가 걸리지 않은 상태에서 디플리션 영역에 국한되는 농도차이에 의한 캐리어 이동이 있고, 다른 하나는 바이어스가 걸린 상태에서 도통상태일 때 확산되어 정션 경계면을 넘어 p에서 n으로, N에서p로??꽤 멀리 넘어가는 놈들이 있는데요, 둘 다 전류전도에 기여하지는 못합니다. 기본적으로 PN 다이오드의 전류전도는 엑세스 캐리어들리 거의 도맡아서 하죠. 그러라고 일부러 불순물 처 넣어서 가전자대에 잉여 캐리어들(n에서는 전자, p 에서는 홀, 이놈들이 엑세스 캐리어이자 다수 캐리어)득실거리게 만든 것이 반도체니까요. 바이어스가 걸리기전 확산에 의한 캐리어 이동을 설명하는 것은 pn 정션의 정성적인 의미를 관찰하고 해석하고자 하는 것이 목적이지, 그놈들이 전류전도에 기여하기 때문에 다루는 것이 아닙니다. 그리고 사실, 바이어스가 걸린 상태에서 확산전류라는 것은 리콤비네이션 프로세스와 관련이 잇는데요, 도핑을 통해 엑세스 케리어를 형성하고 이놈들이 바이어스가 걸렸을 때 일제히 우르르 몰려다니다가 전자 정공 재결합에 의해 소멸되는 것을 유도방출(stimulated emission)이라고 하고, 바이어스와 같은 별다른 자극을 주지도 않았는데 대자연의 섭리에 의해 저절로 재결합을 하는 놈들도 있는데 이것을 자연방출(spontaneous emission)이라고 하죠. 이 양은 기본적으로 매우 미미한데요, 확산전류라는 것은 바로 이것과 관련이 있습니다. 유도방출과 달리 서로 다른 에너지 대에서 마구잡이로 떨어지기 때문에 거의 잡음처럼 취급되는 것이 일반적입니다.????더 자세한 내용은 보내드린 자료 참고하세요.??
흠냐14.05.22 01:12:27 댓글

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역시 짱공엔 능력자가 많네요 ㄷㄷ
SPiNiN14.05.22 01:16:49 댓글

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그리고 diffusion에 의한 전류가 무시된다는 게 이해가 안됩니다.
PN Junction diode에서 forward bias가 걸렸을 때 전류가 exponentially 증가하는 이유는 density of state와 fermi-dirac function에 의한 carrier concentration이 fermi-dirac function의 exponentially 비례하기 때문에 diffusion할 수 있는 minority carrier(유입되는 쪽, 유입시키는 쪽에서는 majority)가 exponentially 증가하기 때문에, diffusion current는 forward bias로 built in potential을 높이게되면 exponentially 증가한다고 알고 있습니다. 그리고 reverse bias에서 흐르는 majority의(유입시키는 쪽에서는 minority) drift current는 majority에 비해 아주 적기 때문에 흐르는 양이 일정하다고 알고 있고 avalanch나 zener process가 아닌 이상 saturation generation current가 흐른다고 알고 있는데... 어째서 디퓨젼에 의한 전류가 무시된다는지 이해가 안됩니다....
SPiNiN14.05.22 01:20:13 댓글

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디퓨젼에 의한 전하의 이동은 그 범위가 디플리션 영역에 국한되어 있다는 말도 도무지 이해가 안됩니다...ㅠㅠ 제가 배운거랑 너무 달라요.

디퓨젼에 의한 전하의 이동이 가로막히는 것은 빌트인 포텐셜보다 낮은 쪽에 있는 일렉트론 뿐이라고 배웠습니다. 왜냐하면 그 에너지 쪽에는 state가 없기 때문이죠... 그렇기 때문에, 빌트인 포텐셜보다 위쪽에 있는 일렉트론은 디퓨젼하여 neutral p지역으로 갈 수 있지 않나요?
SPiNiN14.05.22 01:26:09 댓글

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본문에 적었던 질문을 다시 드리면...

PN junction이고
1.steady state 2.low level injection 3.lightly,unifomrly doped, 4. no other process other than drift,diffusion,thermal R-G
인 상태입니다.

1. forward bias를 걸면 built in potential이 낮아진다.
2. forward bias를 걸면 excess carrier가 생긴다?(이건 아닌 거 같네요)
3. 농도차에 의해 각각의 neutral region으로 minority carrier가 diffusion 한다.
4. 한순간 neutral region으로 들어온 carrier 때문에, 각 영역의 접합 부분에는 포텐셜이 생긴다(P region에는 접합부분이 상대적으로 -, 끝부분이 +)
5. p region에는 필드가 생겨, Majority carrier가 접합부분으로 흘러, charge neutrality를 만족시켜주려 움직인다.
6. 결국 한 뉴트랄 지역의 접합부분에서의 캐리어 농도는 다른 위치에서의 캐리어 농도보다 높게 된다.

이게 제 생각의 흐름인데, 여기서 틀린 부분이 있으시면 지적 해주시면 감사하겠습니다...ㅠㅠ..
그리고 여기서 말하는 excess carrier란 어떤 carrier를 말하는 것일까요?
제가 배운 excess carrier는 빛이 입사하였을 때 thermal equilibrium 상태에서보다 더 많은 캐리어를 가질 때 그 캐리어를 excess carrier라고 배웠는데, 여기는 빛이 입사한 게 아니라 전압이 가해진건데요... 전압이 가해져서, 원래 thermal equilibrium 때보다 더 많은 carrier를 갖게 된 것을 excess carrier라 하나요(확산에 의해 디플리션 영역을 넘어 뉴트랄로 넘어간 캐리어들)
유시칸14.05.22 18:06:54

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엑세스 캐리어(다른 말로 다수 캐리어)라는 것은 말 그대로 처음에 졸라 안정적인 진성반도체(4가의 원자핵이면 4가의 전자가 존재, 2가면 2가의 전자가 존재, 다시 말해 이렇게 안정적인 상태를 열평형 상태 라고 함) 에다가 불순물을 졸라 처 넣어버려 남아도는 전자(N 타입)나 홀(P타입)을 말하는 것입니다. 홀은 기본적으로 전자가 빈자리를 말하는 것인데, 캐리어의 이동과 관련해서 설명하기 쉬우니까 마치 홀이라는 입자가 있는 것 처럼 설명하는 겁니다. 우쨌든 얘들은 기본적으로 원자의 구속을 벗어나서 가전자대를 표류하고 있기 때문에 약간의 에너지(이를 테면 전계나 엑세스 캐리어들이 존재하는 가전자대 에너지와 맞는 빛, 다시 말하면 에너지 E = hv이며, h는 상수니까 결국은 v, 즉 엑세스 캐리어들이 잔뜩 있는 가전자대와 파장이 일치하는 빛에너지가 들어오면 엑세스 캐리어들이 광분함)만 주면 한꺼번에 냅다 튀어 버립니다. 이런 엑세스 케리어의 흐름이 곧 전류에요. 반대로 원자의 직접적인 구속을 받고 있는 마이너리티 캐리어는 웬만한 에너지로는 원자의 구속을 벗어나기 어렵기 때문에 거의 움직이지 않습니다.
유시칸14.05.22 04:07:16 댓글

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우씨...
답변을 적다가 내용이 많다보니 스크롤 올리고 내리다가 여태까지 쓴 내용 다 날려먹엇네요..ㅠ.ㅠ
개념적인 내용에 접근하거나 원리적인 현상을 이해하려 할 때 숲을 보/지 않으면 숲속에서 길을 잃습니다. 수업에서 질문을 하실 때는 수업내용을 사전에 대략적으로 숙지해서 교재에 나와있지 않은 디테일을 질문하고 그 질문이 다른 학생들에게도 유익하고 수업진도를 방해하지 않는 선에서 이루어져야 합니다. 근데 교수는 달을 가리키는데 본인의 이해 틀속에서 좁은 영역에 빠져서 4차원적인 질문을 반복하고 시간을 잡아먹으면 교수입장에선 솔직히 열받습니다. 할 수만 있다면 패고 싶을 정도죠 ^^;;;; 수업시간에 질문할 내용과 따로 찾아가서 질문할 내용을 구분하세요. 그러면 교수에게 이쁨받습니다. ㅎㅎ
솔직히 저도 지금 담당교수님과 비슷한 심정인데, 어디서 부터 설명을 해야 할지 난감하네요. 이해하기 쉬운 자료를 하나 보내드릴터이니, 메일 주소를 적어주세요. 그편이 효과적이겠습니다.
질문자체가 내용이나 용어의 의미를 잘못 이해한데서 비롯된 잘못된 질문이 대부분 입니다. 좀 실례되는 말입니다만, 제가 보기에는 스스로도 질문 내용이 정확히 무엇을 의미하는지 잘 모르시는 것 같다는 생각이 드는데, 이런 질문을 수업시간에 하시면 담당 교수 진짜 열받습니다. 열받아서 F 때릴지도 모릅니다 ^^;;;;
메일 주소 남겨주세요. 이해하기 쉬운 자료를 보내드릴께요.
??
SPiNiN14.05.22 07:59:40 댓글

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수업 시간에는 따로 질문 안 드리고 다 따로 찾아뵙고 질문드립니다...-_-;;;
근데 어떤 용어나 의미를 잘못 이해하고 있나요?? 으으...ㅠㅠ... 책을 챈밍 후 박사가 쓴 modern semiconductor 쓰는데, 책는 내용이 엄청 간략하게 적혀있고 교수님이 추가로 엄청 자세하게 교재를 만드셔서... 혼자 독학이 안되는 구조가 되어있습니다 ㅠ.ㅠ..
영골14.05.22 10:30:31 댓글

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제 직업은 layout
그려는 드릴게~ㅋㅋ
유시칸14.05.22 17:11:28 댓글

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알려주신 메일로 자료와 답변을 드렷으니 참고하세요~그리고 전공 영역을 깊숙하게 이해하기 위해서는 교재로 선택한 책 그 한권으로는 절대로 원리를 깨우친다거나 하는 깊은 공부를 할 수 없습니다. 그 교재에서 한 챕터로 다루는 내용이 또 다른 한권의 책으로 출판되거든요. 학교 도서관에 가보시면 반도체 관련 수많은 책들이 있고,그 책들은 경우에 지금 배우고 있는 교재의 한 챕터에 해당하는 내용이 한권의 책으로 매우 디테일 하게 다뤄지고 있습니다. 반드시 이런 레퍼런스를 갖추고 공부하느 버릇을 들이세요. 시간이 많이 걸리지만, 이렇게 학습한 것은 10년이 지나도 절대 머리 속에서 지워지지 않습니다.

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