| 이런저런정보들 반도체란 무엇인가? 반도체의 유형(P형, N형), 속성, 응용과 예 SKnBiz ・ 2021. 4. 6. 11:32 URL 복사 이웃추가 본문 기타 기능 신고하기
반도체는 도체(일반적으로 금속)와 비도체 또는 절연체(예: 세라믹) 사이의 전도성을 갖는 물질이다. 반도체는 갈륨아세나 게르마늄이나 실리콘과 같은 순수 원소들과 같은 화합물이다. 물리학은 반도체를 지배하는 이론, 특성, 수학적 접근법을 설명한다. 반도체의 예: 갈륨 아르세나이드, 게르마늄, 실리콘은 가장 일반적으로 사용되는 반도체 중 하나이다. 실리콘은 전자 회로 제작에 사용되고 갈륨 아르세늄은 태양전지, 레이저 다이오드 등에 사용된다. 반도체 정공(hole)과 전자 정공(hole)과 전자는 반도체에서 전류의 흐름을 담당하는 전하 운반체 유형이다. 정공(밸런스 전자)은 양의 전하를 띠는 전기 운반체이며, 전자는 음의 전하를 띠는 입자이다. 전자와 구멍 모두 크기는 같지만 극성은 반대이다. 전자와 정공의 이동성 반도체에서 전자의 이동성은 정공(hole)의 이동성보다 높다. 그것은 주로 다른 밴드 구조와 산란 메커니즘 때문이다. 전자는 전도 대역에서 이동하는 반면 정공은 발란스 대역에서 이동한다. 전기장이 적용되면, 정공은 제한된 움직임 때문에 전자만큼 자유롭게 움직일 수 없다. 전자의 내부 껍질에서 더 높은 껍질로 전자의 고도는 반도체에 구멍이 생기는 결과를 낳는다. 홀은 전자보다 핵에 의해 더 강한 원자력을 경험하기 때문에, 정공은 이동성이 더 낮다. 반도체에서 입자의 이동성은 다음과 같다. · 입자의 유효 질량은 적다. · 산란 이벤트 간 시간이 더 많다. 300K의 고유 실리콘의 경우, 전자의 이동성은 1500cm2 (V²s)-1이고 정공의 이동성은 475cm2 (V²s)-1이다. valance 4의 실리콘에서 전자의 결합 모델은 아래와 같다. 여기서, 자유 전자 중 하나가 격자 위치에서 벗어날 때, 그것은 정공(회색 점)을 만든다. 따라서 만들어진 이 정공은 전자의 반대 전하를 띠며 격자 안에서 움직이는 양전하 운반체라고 상상할 수 있다.
반도체 전자와 홀의 개념 반도체의 대역이론 밴드 이론의 도입은 과학에서 양자 혁명 중에 일어났다. 월터 하이틀러와 프리츠 런던은 에너지 띠를 발견했다. 우리는 원자의 전자가 다른 에너지 수준에 존재한다는 것을 안다. 우리가 N개의 원자와 고체의 격자를 조립하려고 할 때, 원자의 각 수준은 고체의 N개의 레벨로 분할되어야 한다. 날카롭고 빽빽하게 채워진 에너지 수준의 분할은 에너지 대역을 형성한다. 전자가 없는 에너지 범위를 나타내는 인접 대역 사이의 간격을 밴드 갭이라고 한다. 반도체의 대역이론
반도체, 도체 및 절연체의 에너지 대역도 반도체의 Valence Band 및 Conduction Band Valence Band ; (원자가띠, 가전도대, 원자가에너지띠) 발란스 전자의 에너지 레벨을 포함하는 에너지 대역을 발란스 대역이라고 하며, 가장 높은 점유율을 가진 에너지 밴드이다. 절연체와 비교했을 때 반도체의 밴드갭은 더 작으며, 밴드에 있는 전자가 외부 에너지를 받으면 컨덕션 밴드로 뛰어드는 것을 가능하게 한다. Conduction Band ; (전도밴드, 전도띠, 전도대) 이 대역은 양(정공) 또는 음(자유 전자) 전하 캐리어의 에너지 레벨을 포함하는 가장 낮은 빈 대역이며, 전류의 흐름을 초래하는 전도 전자를 가지고 있다. 전도 밴드는 에너지 레벨이 높으며 일반적으로 비어 있습니다. 반도체의 전도 밴드는 밸런스 밴드에서 전자를 받아들인다. 반도체의 페르미 레벨은? 페르미 레벨(EF로 표시)은 발란스와 전도 대역 사이에 존재한다. 이것은 절대 0에서 가장 높은 점유 분자 궤도이다. 이 상태의 전하 운반자는 그들 자신의 양자 상태를 가지며 일반적으로 서로 상호작용하지 않는다. 온도가 절대 영도 이상으로 올라가면, 이 전하 운반체들은 페르미 레벨 이상의 상태를 차지하기 시작할 것이다. p형 반도체에서는 채워지지 않은 상태의 밀도가 증가한다. 따라서 낮은 에너지 레벨에서 더 많은 전자를 수용한다. 그러나, n형 반도체의 경우, 상태 밀도가 증가하므로 더 높은 에너지 레벨에서 더 많은 전자를 수용한다. 반도체의 특성 반도체는 바람직한 조건이나 상황에서 전기를 전도할 수 있다. 이 독특한 특성은 필요에 따라 제어된 방식으로 전기를 전도하는 우수한 재료이다. 반도체의 전하 운반체는 도체와 달리 외부 에너지(열의 요동) 때문에 발생한다. 그것은 일정 수의 전자가 에너지 갭을 가로질러 전도 대역으로 뛰어들게 하고, 동일한 양의 빈 에너지 상태, 즉 구멍(홀)을 남긴다. 전자와 홀에 의한 전도도 마찬가지로 중요하다. 저항력 : 10-5 ~ 106 Ωm 전도도 : 105 ~ 10-6 mho/m 온도 저항 계수: 네거티브 전류 흐름 : 전자 및 홀로 인해 반도체의 저항성은 왜 온도에 따라 낮아지는가? 도체와 반도체의 저항성 차이는 전하 운반체 밀도의 차이 때문이다. 반도체의 저항성은 온도에 따라 감소하는데, 이는 온도 증가에 따라 전하 운반체의 수가 급격히 증가하기 때문에 온도계수가 마이너스인 부분변화가 일어나기 때문이다. 반도체의 몇 가지 중요한 특성은 다음과 같다. 1.반도체는 제로 켈빈의 절연체처럼 작용한다. 온도를 높이면 도체 역할을 한다. 2.반도체는 뛰어난 전기적 특성 때문에 도핑으로 수정해 에너지 변환, 스위치, 증폭기에 적합한 반도체 소자를 만들 수 있다. 3.전력 손실이 적다. 4.반도체는 크기가 작고 무게가 덜 나간다. 5.그들의 저항력은 도체보다 높지만 절연체보다는 적다. 6.반도체 재료의 저항은 온도 상승과 반대로 감소한다. 반도체 종류 반도체는 다음과 같이 분류할 수 있다. · 진성 반도체 (Intrinsic Semiconductor) · 외인성 반도체 (불순물반도체, Extrinsic Semiconductor)
진성 반도체 반도체 물질의 본질적인 유형은 화학적으로 매우 순수하게 만들어진다. 그것은 단 하나의 요소 유형만으로 구성되어 있다. 진성 반도체의 전도 메커니즘
진성 반도체(a) 전장이 없는 경우의 전도 메커니즘 게르마늄(Ge)과 실리콘(Si)은 가장 일반적인 유형의 반도체 소자이다. 그들은 네 개의 발란스 전자를 가지고 있다. 그들은 절대 영도의 공합 결합에 의해 원자에 결합된다. 온도가 상승할 때, 충돌로 인해, 적은 전자가 결합되고 격자를 통해 자유롭게 이동하게 되고, 따라서 원래의 위치(홀)에 부재가 생기게 된다. 이러한 자유 전자와 구멍은 반도체 전기의 전도에 기여한다. 음극 및 양극 충전 캐리어는 개수가 동일하다. 열 에너지는 격자 내의 몇 개의 원자를 이온화시킬 수 있기 때문에, 그들의 전도성은 더 적다. 온도변화에 따른 순수 실리콘 반도체의 격자 · 절대 0 켈빈 온도에서: 이 온도에서 공합체 결합은 매우 강하고 자유전자가 없으며 반도체는 완벽한 절연체 역할을 한다. · 절대 온도 이상: 온도가 증가하면 전도성 대역으로 뛰어드는 발란스 전자가 거의 없으므로 전도체가 불량한 것처럼 작동한다. 진성 반도체의 에너지대역도 진성 반도체의 에너지 대역 다이어그램은 다음과 같다.
진성 반도체 (a) T = 0 Kelvin의 진성 반도체, 절연체(b) T = 0, 열 발생 전자 쌍 4개 진성 반도체에서 전류는 구멍뿐만 아니라 자유전자의 운동으로 인해 흐른다. 총 전류는 열 발생 전자와 홀 전류 Ih로 인한 전자 전류의 합이다. 총 전류(I) = Ie + Ih 진성 반도체의 경우, 유한 온도에서 전도 대역에 전자가 존재할 확률은 밴드갭 증가에 따라 기하급수적으로 감소한다(Eg). n = n0e-Eg/2.Kb.t ;; Eg = 에너지 밴드갭 Kb = 볼츠만의 상수 외인성 반도체 반도체의 전도성은 IMPURES라고 불리는 소수의 적절한 대체 원자를 도입함으로써 크게 향상될 수 있다. 순수 반도체에 불순물 원자를 추가하는 과정을 도핑(DOPING)이라고 하는데, 보통 도핑된 반도체에서 107개 중 1개만 도핑된 원자로 대체된다. 외인성 반도체는 다음과 같이 추가로 분류할 수 있다. · N형 반도체 · P형 반도체
N형 반도체 · 주로 전자에 기인한다. · 완전 중립 · I = Ih and nh >ne · 다수캐리어 – 전자 및 소수캐리어 – 홀 순수 반도체(실리콘 또는 게르마늄)가 오순수 불순물(P, As, Sb, Bi)에 의해 도핑되면, 다섯 개의 전자 중 네 개의 전자가 Ge 또는 Si의 네 전자와 결합한다. 도판트의 다섯 번째 전자가 자유롭다. 따라서, 불순물 원자는 격자에서의 전도를 위해 자유 전자를 기증하고 "Donar(도나르)"라고 불린다. 불순물이 추가되면 자유 전자가 늘어나기 때문에 음전하 캐리어가 늘어난다. 따라서, 그것은 n형 반도체라고 불린다. 결정체 전체는 중성이지만, 공여 원자는 움직이지 않는 양의 이온으로 된다. 전도는 많은 수의 자유 전자에 기인하므로, n형 반도체의 전자는 다수 반송파이고 홀은 소수 반송파이다. P형 반도체 · 주로 홀에 기인한다. · 완전 중립 · I = Ih and nh >>ne · 다수캐리어 – 홀 및 소수캐리어 – 전자 순수 반도체가 3중 불순물(B, Al, In, Ga)로 도핑되면, 불순물의 3중 전자는 반도체 4중 3중 3과 결합한다. 이로 인해 불순물에 전자(구멍)가 없다. 결합 전자를 받아들일 준비가 된 이 불순물 원자들을 "억셉터(Acceptor)"라고 부른다. 불순물 수가 증가함에 따라 홀(양전하 캐리어)이 증가한다. 따라서, 그것은 p형 반도체라고 불린다. 결정 전체는 중성이지만 수용체는 움직일 수 없는 음이온이 된다. 전도가 많은 구멍에 기인하는 만큼 p형 반도체의 정공은 MAIDERY CARRIER, 전자는 MINORITY CARRIER이다. 진성과 외인성의 반도체 차이
반도체 응용 이제 일상 생활에서 반도체의 용도를 이해하자. 반도체는 거의 모든 전자기기에 사용된다. 그들이 없다면, 우리의 삶은 훨씬 달라질 것이다. 신뢰성, 소형성, 저비용, 제어된 전도는 트랜지스터, 다이오드, 광센서, 마이크로컨트롤러, 집적칩 등 다양한 부품과 장치에서 다양한 용도로 사용하기에 이상적이다. 반도체의 일상생활에서의 활용 · 온도 센서는 반도체 소자로 만들어진다. · 3D 프린팅 기계에서 사용된다. · 마이크로칩 및 자율주행차에 사용 · 계산기, 태양열 판, 컴퓨터 및 기타 전자 장치에 사용된다. · 전기 회로에서 스위치로 사용되는 트랜지스터 및 MOSFET는 반도체를 사용하여 제조된다. 반도체의 산업적 이용 반도체의 물리적, 화학적 특성은 마이크로칩, 트랜지스터, LED, 태양전지 등과 같은 기술적 불가사의를 설계할 수 있게 한다. 우주 차량, 기차, 로봇 등의 작동을 제어하기 위해 사용되는 마이크로프로세서는 트랜지스터와 반도체 재료로 제조되는 다른 제어 장치로 구성되어 있다. 반도체의 중요성 반도체가 어디에서나 매우 유용하게 사용될 수 있는 몇 가지 이점 · 크기가 작아 휴대성이 뛰어나다. · 입력 전력이 적게 필요함 · 반도체 소자는 충격에 강하다. · 그들은 수명이 더 길다. · 작동 중에는 소음이 없다. 반도체 관련 자주 묻는 질문 500K의 순수 실리콘 반도체는 전자와 구멍이 같다(1.5 × 1016 m-3). 인듐에 의한 도핑은 nh가 4.5 × 1022 m-3으로 증가한다. 도핑된 반도체의 종류와 전자 농도를 계산한다. 그 이후, n2i = nenh (1.5 × 1016)2 = ne (4.5 × 1022) 따라서, ne = 5 × 109 주어진 nh = 4.5x1023 => nh >>ne 따라서 반도체는 p형이고 ne = 5 × 109 m-3이다. 반도체의 밸런스 밴드가 부분적으로 비어 있고 전도 밴드가 상온에서 부분적으로 채워져 있는 이유는 무엇인가? 반도체의 경우 전도 밴드가 비어 있고 제로 켈빈에서 발란스 밴드가 완전히 채워져 있다. 이 온도에서는 밸런스 밴드의 어떤 전자도 전도 대역으로 넘어갈 수 없다. 그러나 상온에서, 발란스 대역의 일부 전자들은 작은 금지된 간격, 즉 1 eV 때문에 전도 대역으로 점프한다. 고유 반도체에서 전도 전자의 수는 7 × 1019 m3이다. 1 cm x 1 cm x 1 mm 크기의 동일한 반도체에서 총 전류 캐리어 수를 구한다. 진성 반도체에서 ne = nh 주어진, ne = m3당 7 × 1019 따라서 N(H) = ne = 7 x 1019 m3 따라서 총 전류 반송파 밀도 = ne + nh = 7x1019 + 7x1019 = m3당 14x1019per m3 현재 총 반송파 수 = 밀도 × 부피 = (m3당 14 x 1019 ) × (10-2 m x 10-2 m x 10-3 m) = 14 × 1012 실리콘의 에너지 갭은 1.14 eV이다. 실리콘이 에너지를 흡수하기 시작하는 최대 파장은 얼마인가? hc / λ = 에너지 (E)이므로 따라서 λ = hc / E = (6.628 × 10 -34 ) × (3 × 10 8 )] / 1.14 × 1.6 × 10 -19 J = 10.901 × 10-7m = 10901 Å. 댓글쓰기 이 글에 댓글 단 블로거 열고 닫기 인쇄 |
