반도체 재료 과제 솔루션

소개글

반도체 재료 과제 솔루션에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

여 전기 에너지로 이용한다.
ㅇ전력용 반도체 소자
- NPNP 구조로 만들어 전력을 제어하는 SCR
- SCR 2개를 역병렬로 연결한 구조이며 교류전력을 제어하는 TRIAC
- PNP나 NPN이 대칭구조를 형성한 구조인 트리거형 다이오드로 사용되는 DIAC
반도체재료 8주차 과제
교과명 : 반도체재료
담당교수:
학 번 :
이 름 :
제출일 :
(1) (a) 불순물반도체에서 다수운반자와 소수운반자의 관계를 설명하라.
불순물 반도체에서 열에너지에 의해 생성된 자유전자와 정공의 쌍은 그 수가 많지 않으므로 소수 캐리어라고 부르며, 불순물의 이온화에 의해 생성된 전자 또는 정공은 그 수가 훨씬 많으므로 다수 캐리어라고 부른다. 즉, 불순물 반도체의 전기전도성은 다수 캐리어의 농도에 의해 결정되므로 얼마나 많은 불순물을 어떻게 주입해 주느냐 하는 것이 중요하다.
불순물 반도체는 불순물의 종류에 따라 N형 반도체와 p형 반도체로 구분할 수 있다.
N형 반도체는 Ⅳ족 원소(Si, Ge)에 Ⅴ족 원소(P,As)가 도핑되어 있다. 자유전자가 생성되어 정공보다 양이 많아진다. N형 반도체에서 다수운반자는 전자이고 소수운반자는 정공이다.
P형 반도체는 Ⅳ족 원소(Si, Ge)에 Ⅲ족 원소(B, Al)가 도핑되어 있다. 정공이 생성되어 전자보다 양이 많아진다. P형 반도체에서 다수운반자는 정공이고, 소수운반자는 전자이다.
(b) 불순물반도체 소수운반자 농도와 이동도를 측정하는 방법인 Haynes？Shockley 실험에 대하여 설명하라.
Haynes-Shockley 실험은 소수 캐리어의 확산을 눈으로 볼 수 있으며 소수 캐리어에 관한 값들을 구할 수 있는 실험이다. E-field(전계)가 인가되어 있는 n-type 반도체 막대의 특정한 부분에 섬광을 쏘아 pulse를 발생시켜, 확산되며 정공이 많아져서 PN접합 부분에서 역방향 전류가 많이 형성되게 되어 동시에 유동이 되는 것을 확인할 수 있다.
이 때 잉여 정공이 PN접합에서 유동되는데 필요한 시간은 소수 운반자인 정공의 이동도에 비례하게 된다. 이는 잉여 운반자를 광생성 시킨 후 역전류가 증가하는데 걸리는 시간이 소수 운반자의 이동도에 비례한다는 뜻이다. 그러므로 역방향 전류의 증가량으로부터 소수 운반자의 농도를 측정할 수 있고, 역방향 전류 증가량의 개시 시간으로부터 소수 캐리어의 이동도를 측정할 수 있다.
(2) 운반자 이동도(μ, mobility)와 전기전도도 (σ, conductivity)를 정의하고, 이들이 반도체소자 특성에 어떤 영향을 미치는지 설명하라.
운반자 이동도(μ, mobility)는 주어진 전기장내에서 반도체내 캐리어(전자, 정공)들이 얼마나 빠르게 움직이는지를 나타내는 것이다. 운반자들의 유효 질량에 대한 전하량과 평균 자유시간의 곱으로 나타낼 수 있다. μ = qτ/m* = Vd/E
전기전도도(σ)는 물체에 전류가 흐르는 정도이다. 이는 전기장에 대하여 흐르는 전류 밀도로 나타낼 수 있다. σ = J/E이고, 반도체에서 J = qn(μE)이므로 σ = q(nμe+pμh)
산란종류에 따라 반도체 소자들의 도핑정도와 온도 범위에 의하여 산란의 기여도가 정해지게 된다. 대체적으로 불순물 산란이 격자진동산란에 비하여 크다.
-적게 도핑이 된 경우 불순물의 양이 매우 적어 불순물 산란을 무시할 수 있으므로 격자 진동 산란에 의해서만 이동도가 제어된다. 때문에 온도가 상승하면 이동도는 낮아진다.
-적당히 도핑이 된 경우, 저온에서 중간 온도까지는 온도가 상승하면 불순물 산란이 커지므로 이동도가 증가한다. 이때 격자 진동 산란은 무시할만한 수준이다. 그러나 중간 온도부터 고온에서는 온도가 높아지면 격자 진동 산란이 커지므로 이동도가 작아진다.
-강하게 도핑 된 경우, 격자 진동 산란이 있기는 하지만 온도 증가에 따른 불순물 산란이 훨씬 크기 때문에 온도가 증가하면 이동도는 계속해서 증가한다.
전기전도도 σ = q(nμe+pμh)이다. 반도체 소자에서 외부 에너지(광, 열 등) 또는 도핑으로 n, p의 양 조절이 가능하므로 전기전도도를 조절 할 수 있다.
-반도체 소자에서 저온에서 온도가 증가하면 다수 캐리어 증가, 불순물 산란이 줄어들어 이동도가 증가하여 σ가 증가한다.
-중간 온도에서 온도가 증가하면 모든 도너 혹은 억셉터가 이온화 되고, 격자 진동 산란이 커져 이동도가 낮아지므로 σ는 작아진다.
-고온에서 충분한 열에너지가 공급되어 진성반도체화 되고 운반자들이 모두 증가하여 전기전도도가 증가한다.
(3) 반도체 PN접합에서 열평형, 순바이어스, 역바이어스 인가시 발생하는 상황에 대하여 설명하라. (공핍층(공간전하층), 전위장벽(built-in potential), 순전류, 역전류 등의 내용 언급. ※역파괴현상은 포함하지 않음)
pn 접합면이 평형상태에 도달하게 되면, pn접합부에서는 서로의 전자와 정공이 재결합하여 사라지며, 이들 다수의 캐리어(전자, 정공)가 없는 공핍층이 형성된다. 또한 양쪽 면 사이에 내부확산전위라는 전위차가 생긴다. 전자, 정공에 의한 전위장벽은 전자, 정공(캐리어)의 흐름을 차단해서 전류는 흐르지 않는다.
순방향 바이어스는 N형에 음극(-)를, P형에 양극(+)을 인가한 것이다. 순방향 바이어스를 가하면 양이온과 음이온이 감소하며 공핍층이 좁아지게 된다. 따라서 당연히 두 영역 사이의 전위 장벽 크기는 감소한다. 전자들이 n영역으로부터 공간 전하 영역을 지나 p영역으로 확산하고 전공들은 p영역으로부터 공간 전하 영역을 지나 n영역으로 확산한다. carrier들의 순흐름이 있으므로 p영역에서 n영역으로 순전류가 흐르게 된다.
역방향 바이어스는 N형 반도체에 양극(+)을 , P형 반도체에는 음극(-)을 인가한다. P형 반도체의 정공은 음극쪽으로 몰리고 N형 반도체의 전자는 양극쪽으로 몰리게 되면서 공핍층이 넓어진다. 공핍층이 더욱 넓어지면서 전류는 흐르지 않게 된다.
그러나, 각 반도체에는 아주 적은 수인 소수캐리어가 존재하는데 이 소수캐리어로 인하여 아주 소량의 전류가 서로 흐르게 된다. 이와 같은 전류를 \'역방향 바이어스 전류\'라 한다.
열평형 역바이어스 순바이어스

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