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10.3 : 반도체의 기초

진성반도체는 불순물이 전혀 없는 고순도 물질이다. 절대 영도에서 이러한 반도체는 모든 원자가 전자가 묶여 있고 전도대가 비어 있어 전기 전도가 허용되지 않기 때문에 완벽한 절연체처럼 동작합니다. 페르미 준위는 열평형 상태에서 전자가 에너지 준위를 점유할 확률을 설명하는 데 사용되는 개념입니다. 진성 반도체에서 페르미 준위는 절대 영도에서 에너지 갭의 중간점에 위치합니다. 반도체의 온도가 상승하면 열 에너지로 인해 일부 전자가 가전자대에서 전도대로 여기되어 전자-정공 쌍(EHP)이 생성됩니다. EHP의 생성은 전자가 전도대에서 자유롭게 이동할 수 있고 정공이 가전자대에서 양전하 캐리어처럼 작용할 수 있기 때문에 전도를 가능하게 합니다.

n_i로 표시되는 고유 캐리어 농도는 열 평형 상태에서 순수한 반도체의 자유 전자 또는 정공의 수입니다. 이는 온도에 따른 값이며 다음 공식으로 표현될 수 있습니다.

Equation 1

여기서 B는 재료 상수, T는 온도, E_g는 띠틈 에너지, k는 볼츠만 상수입니다.

절대 영도 이상의 온도에서는 EHP가 g_i 속도로 생성되고 r_i 속도로 재결합됩니다. 반도체가 열평형을 유지하려면 이러한 속도가 동일해야 합니다. 재결합 속도는 전자(n_0)와 정공(p_0) 농도의 곱에 비례하며 다음과 같이 설명됩니다.

Equation 2

여기서 α_r은 재결합 계수입니다.

고유 반도체는 불순물을 도입하여 재료의 전기적 특성을 변경하는 도핑을 통해 외부 반도체로 변경될 수 있습니다. 5가 원자로 진성 반도체를 도핑하면 자유 전자를 추가하여 N형 물질이 생성됩니다. 반대로, 3가 도펀트는 정공이 널리 퍼져 있는 P형 물질을 생성하여 페르미 준위를 가전자대로 이동시켜 반도체의 전도성을 변형시킵니다.

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SemiconductorsIntrinsic SemiconductorsPure MaterialsFermi LevelThermal EquilibriumElectron hole PairsConduction BandValence BandIntrinsic Carrier ConcentrationBand Gap EnergyThermal EnergyDopingN type MaterialsP type MaterialsElectrical Properties

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