반도체공학,semiconductor_engineering

1. 물질들

1.1. 반도체 semiconductor

1.2. intrinsic semiconductor


영단어 뜻: intrinsic adj. 고유의 - kps 번역도 이거. - https://www.kps.or.kr/content/voca/search.php?et=en&find_kw=intrinsic

고유 반도체, 진성 반도체, 내인성 반도체 (보이는 번역들)
순수 반도체라는 번역도 가능하지 않을지?

불순물(impurities, 즉 dopant)이 들어있지 않은 순수한 반도체.
불순물,impurity이 없음. 도핑,doping되지 않음.
전자농도와 양공농도가 같다는 특성이 있다.
// via https://blog.naver.com/songsite123/222916920635

// from 김성호 물리전자공학 4.2 https://youtu.be/4ifVpRoLgG4
{
여기선 thermal_energy(열에너지? 열적에너지?) $\displaystyle kT$ 에 의해 EHP(electron-hole_pair)가 생성된다.

진성반도체 캐리어 농도(intrinsic carrier concentration) ... carrier_concentration
기호: $\displaystyle n_i$

$\displaystyle n_i=n_0=p_0$ 라는 성질이 있다. ...n0 p0 가 뭐였지

intrinsic semiconductor의 $\displaystyle E_F$ (페르미_에너지,Fermi_energy 페르미_준위,Fermi_level)는 $\displaystyle E_i$ 또는 $\displaystyle E_{Fi}$ 라 하는데

2:50

$\displaystyle n_0=N_c \exp \left( -\frac{E_c-E_F}{kT} \right)$
$\displaystyle p_0=N_v \exp \left( -\frac{E_F-E_v}{kT} \right)$
인데, intrinsic semiconductor의 경우, .....// $\displaystyle E_f \leftarrow E_i$ 를 대입
$\displaystyle n_0=N_c \exp \left( -\frac{E_c-E_i}{kT} \right)=n_i$
$\displaystyle p_0=N_v \exp \left( -\frac{E_i-E_v}{kT} \right)=n_i$

둘을 곱하면,
$\displaystyle n_0p_0 = n_i^2 = N_c N_v \exp \left( -\frac{E_c - E_v}{kT} \right) = N_c N_v \exp \left( -\frac{E_g}{kT} \right)$

그래서 $\displaystyle n_i$ 는,
$\displaystyle n_i = \sqrt{ N_c N_v } \exp \left( -\frac{E_g}{2kT} \right) = 2\left( \frac{2\pi kT}{h^2} \right)^{3/2} \cdot \left(m_n^* m_p^*\right)^{3/4} \cdot \exp\left( - \frac{E_g}{2kT} \right)$

식을 보면 결론은 $\displaystyle T$ 가 커지면 $\displaystyle n_i$ 가 커진다는 것이다.
그래서 온도,temperature가 높아지면 고유반도체의 캐리어농도가 높아진다는 것이 수식적으로 입증되었다.

}

1.3. extrinsic semiconductor

비고유반도체,extrinsic_semiconductor
// kps extrinsic semicondutor : "비고유 반도체, 비본질성 반도체" ... via https://www.kps.or.kr/content/voca/search.php?et=en&find_kw=extrinsic

비고유 반도체, 외인성 반도체, 불순물 반도체


...


1.4. dopant

도펀트 ?

doping_agent = dopant
WpEn:Dopant


1.5. acceptor

acceptor = electron_acceptor ? = acceptor_atom ?
억셉터
전자받개?
WpEn:Acceptor_(semiconductors)
WpEn:Electron_acceptor <- 저 페이지에선 화학의 개념 설명. ko interwiki: WpKo:전자수용체

1.6. donor

donor = electron_donor ? = donor_atom ?
전자주개?
전자를 준다는 뜻에서 donor라는 이름이 붙었다.

P, As(15족 원소)는 최외각 전자가 5개라서 전자 1개를 내어 준다. Donor가 내어 놓은 전자는 자유전자,free_electron가 된다. 그리고 자기(donor) 자신은 움직이지 못하는 양이온,cation이 된다.

WpEn:Donor_(semiconductors)
WpEn:Electron_donor <- 저 페이지에선 화학의 개념 설명. ko interwiki: WpKo:전자공여체


Sources:
김성호 물리전자 4.3 https://youtu.be/3F7GjMPuZco

1.7. 불순물 impurity

2. p-n junction

pn접합,p-n_junction
{
p-n junction

실리콘 결정에 반을 n형으로 나머지 반을 p형으로 도핑,doping했을 때, 경계면,interface?

n형 반도체에는 대부분이 전자, 정공은 거의 없다.
p형 반도체에는 대부분이 정공, 전자는 거의 없다.
그래서 둘의 접합에는 carrier(정공 혹은 전자)의 농도차에 의해,
정공은 n형 영역으로 전자는 p형 영역으로 확산,diffusion이 일어난다.
접합 부근의 n형쪽에서 확산으로 전자를 잃은 5가 원소는 +로 대전된 양이온이 증가하고,
접합 부근의 p형쪽에서는 음이온의 숫자가 증가하게 된다.
이 음양이온이 형성된 접합 부근의 영역을 공핍층, 공간 전하 영역, 전기 이중층이라 한다.
(실용전자회로)



(다이오드가 있고)
개방회로상태에선 외부 전류가 없으므로 접합을 가로지르는 정반대 방향의 두 전류 크기가 같다.
$\displaystyle I_D = I_S$
여기서
$\displaystyle I_S$ : 다수캐리어의 확산에 의한 확산전류
$\displaystyle I_D$ : 소수캐리어의 드리프트에 의한 드리프트전류

(Sedra)


열적 평형상태 thermal_equilibrium 의 PN접합

PN접합의 고유전위(built-in potential):
공핍영역,depletion_region의 이온화된 원자들에 의해 만들어진 전위차(전압,voltage).
N형 영역과 P형 영역의 도핑,doping 농도에 관련되었는데
식으로 나타내면
$\displaystyle V_0=V_T \ln \left( \frac{N_A N_D}{n_i^2} \right)$
여기서
$\displaystyle V_T =kT/q$ : 열전압,thermal_voltage 또는 온도등가 전압 - 상온에서 $\displaystyle V_T\approx 26\,\text{mV}$
$\displaystyle N_A$ : P형 영역에 doping된 acceptor 불순물의 농도
$\displaystyle N_D$ : N형 영역에 doping된 donor 불순물의 농도
$\displaystyle n_i=1.5\times 10^{10}\,\text{cm}^{-3}$ : 진성반도체intrinsic_semiconductor 의 캐리어농도 carrier_concentration ? carrier_density ?

해석
  • 불순물 농도가 커지면 고유전위가 커진다.
  • ...

Source:
신경욱 http://kocw.net/home/cview.do?cid=c908683a6462eac7 2. 8m


3. depletion region/layer

공간전하영역 = 공핍영역,depletion_region = 공핍층,depletion_layer
{
pn접합,p-n_junction면 근처의
  • P형 쪽에는 음의 acceptor 원자가 존재하며
  • N형 쪽에는 양의 donor 원자가 존재하는데
이 얇은 영역을 depletion region이라 한다.

여기에는 이온화된 acceptor/donor 원자들만 존재하며, 움직일 수 있는 캐리어(운반자,carrier)가 없다.



4. 전위장벽 ... 고유전위 ? potential wall?

전위장벽
고유전위 와 syn?

potential_wall ? ... voltage_wall ?

이게 있으면 운반자,carrier가 맘대로 이동하지 못하는데 - 즉 전류,current가 맘대로 흐르지 못하는 - 정확히rewrite

5. bias

바이어스,bias
{
번역:
역바이어스 / 순바이어스 (Sedra 8e ko)

pn접합,p-n_junction의 두 단자가 개방된 상태에서는
pn접합의 내부 전위장벽에 의해 운반자,carrier가 이동할 수 없어서 pn접합에 전류가 흐르지 않는다.
이 때 DC전압을 적절히 인가하여 pn접합에 흐르는 전류를 조절하는 것을 바이어스(bias)라 한다.

순방향(forward) 바이어스와 역방향(reverse) 바이어스가 있다.

순방향바이어스 forward_bias
애노드,anode 전압이 캐소드,cathode 전압보다 높은 경우
→ 내부 전위장벽을 낮춰 전류가 잘 흐르게 됨

역방향바이어스 reverse_bias
캐소드,cathode 전압이 애노드,anode 전압보다 높은 경우
→ 내부 전위장벽을 높여 전류가 흐르지 못하게 됨

Source: 신경욱 http://kocw.net/home/cview.do?cid=c908683a6462eac7 3. 0m
}

5.1. forward_bias

p형 반도체에 + 전압을
n형 반도체에 − 전압을 n인가하는 것을 순방향 바이어스라 한다.
순방향 바이어스pn접합,p-n_junction 부근의 공핍층에 형성된 전위장벽극성,polarity과 상반되게 인가되어 있으므로 전위장벽을 낮추는 기능을 한다.
순방향 바이어스에 의해 전위장벽이 낮아져 열평형,thermal_equilibrium상태가 깨어지면 캐리어,carrier확산,diffusion이 일어나 전류,electric_current가 흐르게 된다.
바이어스 전압이 높아지면 전위장벽은 낮아지므로 전류도 약간씩 증가하게 되며,
바이어스 전압이 전위장벽을 넘어서는 순간 전류는 급격히 증대한다.
이 때의 바이어스 전압은 Si: 0.6~0.7V, Ge: 0.1~0.3V 정도이다.
이 때 pn접합은 도통 상태가 되어 전류가 흐르며 이 때의 전류는 전자전류정공전류로 구성된다.
좀더 쉽게 설명하면 바이어스의 + 극성은 p형 영역의 정공을 밀어 n형 영역으로 이동하게 하며 n형 영역으로 주입된 정공은 바이어스의 −극에 강하게 끌려 이동하므로 p에서 n으로 정공전류가 흐른다.
마찬가지로 n형 영역의 전자는 바이어스,bias의 −극에 밀려 p형 영역으로 주입되며 p에 주입된 전자는 바이어스의 +전압에 강하게 이끌려 이동하므로 회로에는 전자전류가 흐르게 된다.
(실용전자회로)


5.2. reverse_bias

전위장벽이 높아져서 애노드,anode에서 캐소드,cathode로 전류가 흐르지 못한다.

전자 정공 둘 다 전위장벽을 넘어 이동하지 못함.

reverse_bias_breakdown = breakdown ? chk.


p에 − 극성,
n에 + 극성의 전압을 인가하는 것을 역방향 바이어스라고 한다.
바이어스 전압이 공핍층의 전위장벽을 높이는 방향으로 인가되어 있으므로 캐리어의 이동은 열평형상태일때보다 더 어려워지므로 전류는 거의 흐르지 않는다.
역방향 바이어스에 대한 기본동작을 설명하면 다음과 같다.
전지의
− 단자는 pn접합에서 p영역의 정공을 바깥쪽으로 끌어 당기고
+ 단자는 전자를 바깥쪽으로 끌어당긴다.
−와 + 사이는 인력이 작용하므로 전자와 정공이 접합 부근에서 바깥으로 이동한 만큼 공핍층도 넓어진다.
공핍층은 장벽전위가 외부 바이어스 전압과 서로 같아질 때까지 넓어진다.
다이오드가 역방향으로 바이어스되었을 때 공핍층은 반대로 대전된 이온층 사이에 실제로 절연체와 같이 동작하므로 전류는 거의 흐르지 않게 된다.
(실용전자회로 2.4.2)

6. 에너지띠 and 에너지띠그림

7. 다이오드 diode


다이오드의 I-V 관계 (characteristic ? graph ?) :

pn junction 다이오드에 전압 $\displaystyle V_D$ 가 인가된 경우
$\displaystyle I_D=I_S\left( e^{V_D/V_T} - 1 \right)$
여기서
$\displaystyle I_D$ : 역방향포화전류
$\displaystyle I_S$ :
$\displaystyle V_D$ : 다이오드 양단에 걸리는 전압
$\displaystyle V_T$ : 온도등가전압

$\displaystyle V_D \gg V_T$ 인 경우
$\displaystyle I_D \simeq I_S e^{V_D/V_T}$

역방향포화전류
$\displaystyle I_D \approx -I_S$

https://i.imgur.com/BmN3ypi.png




8. 온도등가전압 VT

기호: $\displaystyle V_T$

상온(300 K 정도)에서는 대략 26 mV 정도.



9. 전류 current


다이오드,diode의 I/V Characteristics에서,
$\displaystyle I_D = I_S \left( \exp \frac{V_D}{V_T} - 1 \right)$
$\displaystyle I_D$ : diode current
$\displaystyle V_D$ : diode voltage
(Kung slide 2 p35)

10. 확산전류 diffusion current

10.1. 역방향포화전류 reverse saturation current ID

기호: $\displaystyle I_D$

$\displaystyle I_S$ 아님??? IS is called the “reverse saturation current”

reverse saturation current
reverse_saturation_current




11. carrier ... 캐리어 or 운반자

둘중에 뭐로? TBD

다수캐리어 majority_carrier
소수캐리어 minority_carrier

11.1. 캐리어농도 carrier concentration

11.2. 캐리어의 이동 carrier transport ? carrier motion ?

① gradient of electrostatic potential energy -> 유동전류, 표동전류, 드리프트전류 ... drift_current ... VG:drift_current
② gradient of carrier concentration -> 확산,diffusion - 확산전류,diffusion_current = VG:확산전류,diffusion_current
③ gradient of temperature -> 열전류 thermoelectric current ... 열전류,thermoelectric_current

12. 페르미 준위 Fermi level

13. 페르미 에너지 Fermi energy

14. Fermi-Dirac statistics

페르미-디랙 통계
semi-twins:
WpKo:페르미-디랙_통계
WpEn:Fermi–Dirac_statistics

14.1. Fermi-Dirac distribution




그래서 절대영도,absolute_zero일 때 (T = 0 K)
$\displaystyle E>E_F$ 인 경우 - 페르미 에너지 초과인 경우
$\displaystyle f(E\gt E_F)=\frac1{1+\exp(+\infty)}=0$ (발견되지 않는다)
$\displaystyle E 인 경우 - 페르미 에너지 미만에서
$\displaystyle f(E\lt E_F)=\frac1{1+\exp(-\infty)}=1$ (항상 발견된다)

MKLINK
$\displaystyle E\gt E_F$ - 전도띠,conduction_band
$\displaystyle E\lt E_F$ - 원자가띠,valence_band

// tmp via https://metar.tistory.com/entry/페르미-준위-간단하게-설명하기
페르미-디랙 분포
어떤 온도,temperature에서
에너지준위,energy_level $\displaystyle E$ 가 (이게 페르미_준위,Fermi_level? chk)
입자에 의해 채워질 확률을 나타냄.

1.
$\displaystyle E=E_F$ 일 때 $\displaystyle f(E)=1/2$ 즉 50% 확률로 전자 존재. 이건 온도와 무관.

2.
$\displaystyle T=0$ 이고 $\displaystyle E_F\ne 0$ 일 때
$\displaystyle E\lt E_F \;\:\; f(E)=1$
$\displaystyle E\gt E_F \;\:\; f(E)=0$
즉 절대온도 0K에서, 페르미_준위,Fermi_level보다 에너지가
  • 낮은 전자는 100% 확률로 존재하며
  • 높은 전자는 존재할 수 없다

그래서 온도가 높아지면 페르미_준위,Fermi_level보다 높은 준위의 에너지의 전자가 더 많아지는? chk


14.2. Fermi-Dirac function



페르미_함수,Fermi_function와 동의어?
페르미-디랙 함수를 줄여서 페르미 함수라 하는?

// tmp via https://e-funny.tistory.com/entry/3강-페르미-레벨-Fermi-Level과-확률밀도함수
$\displaystyle f(E)=\frac1{1+e^{(E-E_F)/kT}}$
저기서 상태밀도함수 { Google:상태밀도함수 state_density_function ? } 와의 곱을 볼 수 있음.

// tmp via https://m.blog.naver.com/pk4101/221574963482
하나의 에너지상태,energy_state에 하나의 입자만 존재할 수 있다고 정의한 함수.
기호: $\displaystyle f(E)$
이걸 수식으로 나타내면
$\displaystyle f(E)=\frac1{1+e^{(E-E_F)/kT}}$
여기서

16. 일함수 work function


기호: $\displaystyle \phi$

금속,metal에서 전자,electron를 떼어내는 데 드는 최소한의 에너지,energy.


17. 접합 - junction / contact

접합,junction
pn접합 -> 이 페이지 위쪽에. 반도체공학,semiconductor_engineering#s-2
M-S접합
Ohmic_contact
Schottky_contact

18. random thermal motion (of electrons)

random_thermal_motion
여기선 전자,electron 얘기.
in 고체,solid? 반도체,semiconductor? 도체,conductor?

$\displaystyle \frac12 mv_{\rm th}^2 = \frac32kT$

이건 대략적인 근사식. 여기서 속도는 수많은 입자들의 평균.
rel. randomness, 열,heat 산란,scattering 전자산란,electron_scattering
thermal energy에 의함.
QQQ heat energy와 동의어인가??
절대영도,absolute_zero가 아니면 항상 이게 있음.
(VG:운동,motion의 brownian 아래에다 추가하려다 말았음)
QQQ 위 brownian이랑 함께 random_motion? 아님 이게 brownian의 일종?
하지만 brown이랑 다른 거 : 이건 전기장 E가 있을 때는 전류가 흐르며 개개 전자는 thermal random motion을 하더라도 전체 평균적으로는 표동/유동 한다. rel. 유동속도,drift_velocity // VG:유동속도,drift_velocity
E에 의해 가속운동을 하다가 충돌이 일어나면 속도가 0이 되었다가... 를 반복한다.

단순화된 모델(?)에 따르면
평균속도는 유동속도와 같으며 이건 가속도 곱하기 tau.
$\displaystyle v_{\rm avg}=v_{\rm drift} = a\tau$
$\displaystyle \tau$ : 충돌과 충돌 사이 평균 시간 - mean free time

16:00
암튼 전기장이 가해지면,
$\displaystyle F=qE$ 이 생기며, 힘은 $\displaystyle F=ma$ 이고, 여기서 질량을 전자의 유효질량(VG:유효질량,effective_mass) $\displaystyle m^*$ 이라 하면
$\displaystyle F=qE=m^*a$
따라서 가속도는
$\displaystyle a=\frac{qE}{m^*}$
그래서 drift_velocity 는 위에서 $\displaystyle a\tau$ 였으므로
$\displaystyle v_d=\frac{q\tau}{m^*}E$

$\displaystyle E$ 앞에 붙은 저게 전자의 이동도,mobility. // VG:이동도,mobility VG:전자이동도,electron_mobility
$\displaystyle \mu=\frac{q\tau}{m^*}$

위위 식을 다시 쓰면
$\displaystyle v_d=\mu E$

그리고 전류밀도,current_density VG:전류밀도,current_density 도 보면
$\displaystyle J=qnv_d$
$\displaystyle J=qn\mu E$
여기서 $\displaystyle qn\mu$컨덕티버티,conductivity VG:컨덕티버티,conductivity.
$\displaystyle J=\sigma E$
즉 일반화된 옴의 법칙. (curr. VG:옴_법칙,Ohm_s_law#s-1)

28m
// 슬라이드
drift current due to electrons
$\displaystyle v_{d,n}=-\frac{q\tau_n}{m_n^*}E=-\mu_n E$
$\displaystyle J_{drift,n}=-qnv_{d,n}=-qn(-\mu_n E)=q\mu_n nE=\sigma_n E$
drift current due to holes
$\displaystyle v_{d,p}=\frac{q \tau_p}{m_p^*} E = \mu_p E$
$\displaystyle J_{drift,p} = qpv_{d,p} = qp(\mu_p E) =q\mu_p pE = \sigma_p E$
total drift current is
$\displaystyle J_{drift}=J_{drift,n}+J_{drift,p}$
$\displaystyle =q(\mu_n n + \mu_p p)E$
$\displaystyle =(\sigma_p + \sigma_n)E$
$\displaystyle =\sigma E$

// 칠판
$\displaystyle J=qn\mu_n E + qp\mu_p E$


19. E-k diagram

E-k그림
E-k_diagram

21. 유효 질량 effective mass

Page exists at VG => VG:유효질량,effective_mass

22. 도핑 doping



rel. dopant

doping : 반도체에 dopant를 주입하는 공정 과정.
dopant : 반도체에 주입하는 불순물,impurity.


23. breakdown

번역들:
항복
'절연 파괴' ... via kps. https://www.kps.or.kr/content/voca/search.php?et=en&find_kw=breakdown 저기엔 (반도체 말고 다른분야이므로 참고만) 와해, 깨짐, ...의 번역도 있음.
... naver 영어사전 breakdown => https://en.dict.naver.com/#/search?query=breakdown&range=all

syn?
junction_breakdown .... breakdown 과 동의어? pn접합,p-n_junction에서 일어남???
electrical_breakdown ... "
diode_breakdown - 필요?? transistor_breakdown 과 함께 필요? or del ok
reverse_breakdown - 역바이어스,reverse_bias에서 breakdown이 생성되므로... 이것도 syn?

Sub:
제너_항복,Zener_breakdown { mklink 제너_다이오드,Zener_diode Zener_voltage Zener_breakdown_voltage Zener_breakdown_current 제너_효과,Zener_effect }
avalanche_breakdown (이상 둘이 reverse_bias에서 나타나는 중요한 두 가지.)
보이는 번역들:
사태 항복
애벌런치 항복
... 사전 보니 미국식 영어발음은 avalanche 애벌랜치 에 가까운 ... 애벌랜치 항복
... Naver:avalanche breakdown
tunneling_breakdown
터널링 항복?
터널링,tunneling
breakdown_voltage
항복전압
'절연 파괴 전압' ... via kps ... https://www.kps.or.kr/content/voca/search.php?et=en&find_kw=breakdown
curr at VG:다이오드,diode
snapback_breakdown