충남대학교 컴퓨터공학과 남병규 교수님의 "전자회로" 강의를 필기한 내용입니다.
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규소 결정 만드는 기법
- 그 소금결정만드는거마냥 작은 규소조각 넣은담에 냅두면 커다란 규소 결정이 완성된다
반도체에서의 양자역학
- 전자도 입자성과 파동성을 둘 다 가지기 때문에 부도체의 경우에도 일부 뚫고 지나간다
- 즉, 캐패시터의 경우 완충되면 전류가 안통하는게 상식적인 일이지만 아주 소량의 전류는 흐르게 된다
- 이러한 성질을 투과파(Tunneling) 이라고 한다
- 세상의 모든 물질은 입자성과 파동성을 둘 다 가진다
- 이때 파동성이라는거는 확률이 파동형태로 존재한다는 얘기이다
- 전자들이 존재하는 궤도가 존재한다는 것( = 양자화 되어 있다는 것)은 그 궤도에서 돌아야 정상파를 이룰 수 있기 때문 - 몰라도됨 솔직히
전자와 원자 구분
- valance electoron : 최외곽전자
- conduction electron : 자유전자, 전도전자
- ion : 전자가 떨어져 나간 상태의 원자
전자와 정공
- 전자가 자유전자가 되면 그 전자가 빠져나간 곳이 빈 구멍이 되는데 이 구멍을 정공이라고 한다
- 전자가 이동하는 과정은 반대방향으로 정공이 이동하는 것과 필요충분조건이 되기 때문에 정공의 움직임도 전류 흐름의 한 징표라고 생각할 수 있다
- 전자의 움직임와 정공의 움직임은 반대인데 전류는 전자의 움직임과 반대로 흐르므로 정공의 움직임 방향이 전류의 방향이라고 할 수 있는 것
- 반도체에서 전자와 정공은 가만히 있는게 아니라 생성과 소멸(재결합)을 끊임없이 반복한다
- 전자가 free상태가 되었다가 또 다른 정공을 만나면 걸로 들어가고 하는 것이 계속해서 반복됨
- 자유전자가 생기면 정공도 같이 생기고 이 자유전자가 움직이다가 다른 정공을 만나 재결합하면 또 같이 사라지기 때문에 전체적으로 전기적 중성을 유지하는 것
- 이렇게 생길때는 하나씩 생기고 재결합하여 소멸할때도 하나씩 사라지는 것을 EHP(Elec-Hole-Pair) 라고 하더라
- 전자의 움직임은 그냥 자유롭게 돌아다니는 반면 정공의 움직임은 인접한 전자가 그 정공을 채워줌으로써 간접적으로 이동하게 되는 것 이므로 전자가 정공보다 더 빠르고 자유롭게 움직인다
- 대략 속도가 2배정도 차이난다더라
Energy Band
- 이미 알고있겠지만 원자들이 여러개가 공유결합해서 묶이면 전자 껍질들이 중첩되어 전자가 존재할 수 있는 공간이 하나의 선이 아니라 저렇게 띄를 이루게 됨
- 그중에서도 최외각 전자가 존재하는 구역을 Valance band 라고 하고
- 자유전자가 존재하는 구역을 Conduction band 라고 한다
- 이 Valance band와 Conduction band가 겹쳐져 있으면 최외각 전자가 언제든 Valance band에 들어가 이동할 수 있으므로 이러한 경우를 도체(Conductor) 라고 하는거고
- 두 band사이 간격이 멀어 최외각 전자가 Conduction band로 가기 힘들다면 부도체(Insulator) 가 되는 거다
- 근데 두 band사이 간격이 애매해 좀만 에너지를 가해줘도 최외각 전자가 Conduction band로 가게 된다
Drift, Diffuse
- 전압을 걸어주면 그 전위차에 따라 전류가 흐르는 것을 Drift 전류 라고 한다
- 근데 전압 없이도 전자/정공의 밀도차이에 따라 전류가 흐를 수도 있는데 이것을 Diffuse 전류 라고 한다
N-도핑
- 실리콘판에 중간중간 최외각 전자가 하나 더 많은 5족 원소를 끼워넣으면 공유결합에 관여하지 않는 전자가 생기므로 자유전자가 되기 쉬운 전자들이 많아진다
- 이렇게 5족 원소를 끼워넣어 순수실리콘보다 자유전자가 많게 만든 반도체를 N-도핑 이라고 한다
- 이런 5족 원소들을 자유전자를 제공해준다는 의미에서 Donors 라고도 한다
- 순수 실리콘보다 전자가 많다는 의미에서 Negative - Dopping인 것
- 다만 그렇다고 얘가 음극을 띄는건 아니다 - 전자를 추가한게 아니고 5족원소를 추가한 것이기 때문에 양성자의 전하도 더 많아져 전기적으로는 중성을 띰
- 그렇다고 정공이 아예 없는건 아니다 - 전자가 그만큼 더 많으시다는 거지
P-도핑
- 반대로 3족 원소를 끼워넣으면 공유결합에 관여하는 전자가 적어지기 때문에 그 부분이 정공으로 남게 된다
- 3족원소를 끼워넣어 정공이 많게 만든 반도체를 P-도핑 이라고 한다
- 3족 원소는 정공을 제공해서 전자를 받아들인다는 의미에서 Acceptors 라고도 한다
- 순수 실리콘보다 정공이 많다는 의미에서 Positive-doping
- 얘도 마찬가지로 정공이 많다는 거지 전기적으로 양극을 띈다는얘기는 아니다 - 전기적으로는 여전히 중성
- 그렇다고 전자가 아예 없는건 아니다 - 정공이 그만큼 더 많으시다는 거지
Fermi level
- Fermi level의 정의는 전자 존재 확률이 0.5인 곳을 나타내는 선이다
- 이것을 의미론적으로 이해해보면
- 자유전자가 많이 있는 경우에는 전자가 높은 에너지 레벨까지 존재할 수 있으므로 이 Fermi level도 올라간다 - 즉, 자유전자가 많으면 Fermi level은 올라간다
- 하지만 반대로 자유전자가 적은 경우에는 전자가 낮은 에너지 레벨에만 채워지므로 Fermi levle도 낮아진다 - 즉, 자유전자가 적으면 Fermi level도 낮아진다
- 따라서 Fermi level은 자유전자가 얼마나 많이 있느냐를 나타냄 - 전자가 몇층까지 채워져 있느냐
- N도핑은 자유전자가 많으므로 Fermi level이 높고
- P도핑은 자유전자보다 정공이 더 많으므로 Fermi level이 낮다