Lecture 3d: Aavanced MOSFET-short channel

질문)Cox가 모스펫내에서 결국 좋은 영향인지 아닌지 궁금합니다.

그리고 short channel effect에서 전류식이 이제 Vds의 제곱에서 1승의 형태로 되는것인데 이렇게 전류가 줄어드는것이

안좋은 것처럼 묘사를 하는 것인가요? 현재 반도체 공정에서는 전력을 줄이기위한 이슈가크다고 알고있는데 오히려 이 효과가

도움이 되는것이 아닌지 궁금합니다\

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Cox가 모스펫내에서 결국 좋은 영향인지 아닌지 궁금합니다.

답) 그렇지 않습니다. Cox는 다양한 경로를 통해 원치않게 생기는 부수적인 capacitance입니다.

가능한 줄이는 것이 가장 좋습니다. 신뢰성에도악영향을 주기 때문에 가능한 Cox를 줄이는 것이 좋지요.

Current(Ids)를 늘리기 위해서 Cox를 늘리는 일들을 연구하지만 gate oxide내에 불순물을증량해서 하는 방법은 일관성이 없기 때문에 이방법은 아주 안좋은 방법이고 주로 dielectric const가큰 물질을 사용하여

전류를 늘리는 방법은 있습니다.

그리고 short channel effect에서 전류식이 이제 Vds의 제곱에서 1승의 형태로 되는것인데 이렇게 전류가 줄어드는것이 안좋은 것처럼 묘사를 하는 것인가요? 현재 반도체 공정에서는 전력을 줄이기위한 이슈가 크다고 알고있는데오히려 이 효과가 도움이 되는것이 아닌지 궁금합니다

답) Short channel관련 Ids 공식에서Vds가 1승형태로 보이는 이유는 short channel에서 e-field(E=V/d)값이 너무 커지면서전자의 이동도가 saturation되면서 관련식에 Vds가포함되면서 자연스럽게 없어진것입니다.

교안 3d 7페이지 오른쪽 위그림에서 Si의경우 전자의 saturation velocity값이 나오는데 Maximum값을 가지게 되지요. 전류가 줄어드는 것이 아닌 것을 알 수 있습니다.

전력을 줄이는 것은 같은 전류를 얻을 때 가능한 낮은 전압에서 얻을수 있어야 전력을 줄이는 효과가 납니다.

다시 얘기해서 낮은 전압에서 전류를 많이 얻을 수 있다면 바로 이것이 우리가 전력을 줄이는 자유도가 더 높아진다고 할 수 있습니다.

도움이 되었기를 빕니다.

모스펫 동작원리 강의에서

s.s 를 줄이는 방법 중 하나로 C interface를 줄이는 방법을 들었는데,

C it가 무엇을 뜻하는지 정확히 모르겠네요.

추가 설명 가능할까요..? 감사합니다

답) NMOS에서 gate에 + voltage를 가하면 Si-SiOx interface로 전자들이 모이게 됩니다.

이 모인 전자들이 Vds에 의해 전류가흐르게 됩니다.

이것은 아주 ideal한 상태입니다.

실제로는 Si에서 thermal oxidation process를 거쳐서 SiOx를 만드는데우리가 원하는 SiOx는 SiO2입니다.

이렇게만 된다면 가장 이상적인 경우이지요.

하지만 제가 지금껏 계속 SiO2라고쓴적이 없고 SiOx라고 썼듯이

Si마지막부분에서O2와 만나SiOx가 형성되는데 100% Si이 O와 반응을 못합니다.

그래서 Si중에 O2와 반응 못하고 남은 Si에서 최외각 전자와 state들이 덜렁덜렁 남아있게 되지요.

SiOx의 의미는 O2와100% 반응하지 못해서 화학적 기호를 SiOx라 쓴 것이고여기서 Si의 dangling bond들이 남아 있다고 보면됩니다. 여기서 주목할 부분은 최외각 state들입니다. 이 state들은 Si-SiOx bandgap(교안3b 12~14페이지) 에서 interface에 위치하게 되는데 +gate bias에의해 몰려드는전자들이 이 state가 없었다면 그냥 conduction band에몰려있을텐데 에너지 준위가 낮고 빈state라 전자를 받을 준비가 되어 있는 상태라고 전자가 몰려오면가장 먼저 하는일이 주변에 전자가 들어갈 자리가 있나 찾는 겁니다.

비어있는 state들 (즉 빈방들)이 보여서 CB에모인 전자들의 일부가 이 state들부터 채우기 시작하고 나머지 전자들이 Vds에 의해 전류를 흘리다 보니 state가 없을때보다 전류의 양이줄어들 수 밖에 없겠지요.

따라서 transfer curve가 천천히올라가게 되는 현상을 볼 수 있고 이것이 ss값이 올라가는 현상을 설명할 수 있습니다.

Ciit 즉 interface에존재하는 state이고 이 state들이 ss값에 영향을 줄 뿐 아니라 capacitance 역할도 한다는 것을다음 연속 강의에서 설명이 될 것입니다. 도움이 되셨기를…

Avalanche breakdown 이 한번 일어난 다이오드는 전자-홀 페어가 깨져서 다시 사용할 수 없게 되나요?

(zener breakdown 같은경우엔 다시 사용 가능할 것 같은데.... 맞나요?)

답) Avalanche breakdown은정상적인 p-n 다이오드에서 역바이어스가 크게 걸려 p-njunction부분에 대부분의 전압강하가 일어나고 그리고 높은 역바이어스에 따른 강력한 e-filed가생기면서 p-n junction의 근간을 허물어뜨릴 정도로 강력한 에너지입니다. Avalanche 후에는 p-n junction이 아예 허물어지면서그 경계가 없어지는 경우라, 다시는 사용할 수가 없습니다.

혹시 다시 측정하면 short (도체화됨) 현상이나 open (절연체화 됨) 현상을 볼 수 있는데 주로 short현상이 많이 일어난 제 경험을말 할 수 있네요.

반면 Zener breakdown의 현상을어디서부터 보느냐가 문제인데 p-n junction이 무너지는 현상은 주로 강력한 e-field 즉 junction거리로 가해진 전압을 나누면 e-filed가 계산이 되는데 주로 30~50kV 이상이면 avalanche breakdown이 일어납니다. 아무리 Zener diode라 하더라도.

하지만 Zener diode의 특성상터널링에 의해 많은 캐리어의 이동이 생겨 전류도 증가하는데 증가하더라도 e-field가 그리 크지 않으면hard breakdown이라기 보다는 soft breakdown영역이라이영역은 다시 복원이 됩니다.  도움이되었기를 빕니다. 나머지도 파이팅하시길..

요즘은 Al대신 Cu를 많이 사용한다고 들었습니다.

 두 금속의 work function이다를텐데 이 경우, 이온 도핑을 Cu의 workfunction에 맞게 농도만 다시 조절해주면 되는 것인지요?

* W는 어디서 사용되는 것인가요?

* 위에 언급한 금속 이외에, 현장에서 주로 쓰이는 금속이 있나요?

답)

임준영씨 경우는 디스플레이 회사를 지원 하지 않고 반도체 회사를 지원하고 있다는 가정하에서 답을 드리겠습니다.

질문)

요즘은 Al대신 Cu를 많이 사용한다고 들었습니다.

 두 금속의 work function이다를텐데 이 경우, 이온 도핑을 Cu의 workfunction에 맞게 농도만 다시 조절해주면 되는 것인지요?

답)

위에 언급한 Al, Cu는 주로 배선 즉 source/drain 전극을 이어주는 금속전극으로 사용하지 반도체 doping용으로사용하지 않습니다. 물론 Display를 구동하는 TFT(Thin Film Transstors)에도 배선으로 예전에는 Al을많이 사용하다가 Cu로 전환되었습니다. 이유는 간단합니다. 금속중에 비저항이 가장 작은 값 즉 전도성이 가장 높은 금속이 Cu입니다.

하지만 Cu는 n type 반도체에원치 않게 doping이 된다면 반도체의 성능 즉 이동도(mobility)를급격히 떨어뜨리는 아주 나쁜 금속 dopant로 작용할 수 있습니다.반도체를 이어주는 배선용으로 Cu가 가장 좋은 선택이지만 부작용으로 반도체에 오염이 된다면심각한 상황이 발생된다는 뜻입니다.

금속 배선과 반도체내 dopant는 다른 얘기라는 것을 이해해주기바랍니다.

반도체에서 dopant는 주로 ionimplantation으로 주입을 하고 있고 Cu같은 금속은 주로 sputter를 이용해서 배선을 구현합니다.

W의 경우는 잘 모르겠네요. 옛날에는배선용으로 많이 사용했는데 요즘도 사용하고 있는지는 반도체쪽에서 일한 경험보다 최근에는 디스플레이 회사에서 근무해서 W이 지금도 사용되고 있는지는 확실한 정보를 가지고 있지 않습니다.

현장에서 사용되는 금속은 반도체회사는 주로 Cu를 가장 많이 사용하고있고

디스플레이 회사는 Cu와 Al을사용하기도 합니다. 그리고 buffer metal로 Ti도 많이 사용하고 있지요. Cu금속경우 반도체전극과의 부착력이 약해서끈적끈적한 성질을 가진 Ti같은 메탈 풀(Glue)을 아주얇게 먼저 증착하고 Cu를 연속 증착하는 경우도 있습니다.

100% 답을 못해서 미안합니다. 도움이되었기를 빕니다.

 1fcompensated 강좌에서. 재생시간기준으로 5:40~45정도입니다.;Nd-Na에서 Na가 비교적 작은값이기 때문에 n0 로 되신다고 하셨었는데, ;비율로보자면 11*10^16 : 1*10^16 = 11:1이기때문에.... 무시하기어려운 비율이 아닌가 하는 생각이 드는데요~설명하시기 위해 예를 만드신거라 그런건지... 실제로 저정도 비율이면 무시되는 값인지 궁금합니다

안녕하세요 교수님. 강의를 듣고 있는 오석재 학생입니다.

수업 듣다 궁금한점이 생겨 질문드립니다.

1. donor state와acceptor state에 대해 질문드립니다.

강의 내용 중 donor level과 acceptorlevel에 state가 존재한다는 것이 잘 이해가 가지 않아 질문드립니다. 실제로 Si-P n type doping을 한 후 ellipsometry등 측정장비를 통해 확인하면 band gap 내에 state가 보이는지 궁금합니다.

또한, state가 실제로 존재한다면 donorstate 아래, valence band 위에 있는electron들은 이동에 제한이 생길 것 같은데 (conduction band로 가려면중간에 있는 donor state를 뛰어넘어야 하므로),intrinsic 상태와 extrinsic 상태에서의 그 주소가 없는(?) electron들의 움직임 차이가 궁금합니다.

답) 먼저 donor level은 전자를 품고있는state를 donor level이라 합니다. Acceptor level은 그냥 빈 state가 밴드갭내 VB근처에 존재하는 것입니다. 

예를 들어 Si에 P를 도핑하면 Si 에너지 밴드갭내 정확히 CB에서 0.044eV 떨어진 지점에 donor level이 실제로 존재합니다. (교안 1d 17page 참조)

하지만 ellipsometry는 두께를 측정하는 장비이기 때문에 이 장비로는 donor level 또는 donor level에 존재하는 state를 측정할 수는 없습니다. Donor level을 측정하고싶으면 Photo Luminescence(PL) 장비를 사용해서 Si-P에광에너지를 주고 CB나 donor level에서 전자들이VB로 recombination되면서 측정하면 donor level이 어디쯤 있는지 알 수 있습니다.

PL로 측정하면 우리가 얻을 수 있는 정보는 Band(CB)-to-Band(VB),Donor-to-Band(VB) recombination을 예상하고 거기에 맞는 eV값을얻어서 donor level이 어디쯤 있다고 알 수 있지요..

질문)

또한, state가 실제로 존재한다면 donorstate 아래, valence band 위에 있는electron들은 이동에 제한이 생길 것 같은데 (conduction band로 가려면중간에 있는 donor state를 뛰어넘어야 하므로),intrinsic 상태와 extrinsic 상태에서의 그 주소가 없는(?) electron들의 움직임 차이가 궁금합니다.

답)

State 개념을 먼저 잡고 다음을 설명해보겠습니다.

교안 1d 13페이지 보면 P의 최외각 전자오비탈구조를 보면 전자가 채워진 state와 전자가 채워지지 않은 빈 state가 있습니다. 하지만 Si과달리 최외각 오비탈에서 Si의 3p 오비탈과의 차이점 즉단 하나의 전자가 채워진 state가 Si와 화학적 결합시CB로 완전히 올라가지 못하고 CB 근처에 존재하고 그것을우리는 donor level이라고 부르죠. 300K정도면대부분donor level에 존재한 전자들은 300K열에너지만으로도 대부분 CB로 올라가게 됩니다. State가 존재해서전자들의 이동을 방해하는 것은 사실입니다. 이 부분을 설명한 것이 교안 1h 5페이지 SRH recombination을 시청해보기 바랍니다.

아무튼 밴드갭내에 donor level이나 acceptorlevel들이 많이 존재한다면 광학적으로는 1차적으로 문제가 될 수 있습니다. 광에너지등으로 VB에서 CB 로여기될때도 한번은 빈state가 있다면 거기를 거치게 되고 전자들이 다시 recombination될 때도 밴드갭내에 state가 있다면 거기를거치게 됩니다. 문제는 state의 양이 얼마냐에 따라서PL 측정에서 확실히 Donor-to-Bandrecombination이 잘 보이기도 합니다.

그래서 답은 VB의 전자들이 광에너지등을 받아서 CB로올라갈 때 확률적으로 그냥 donor level을 거치지 않고 바로 올라가는 전자들도 있고 donor level을 거치고 올라가는 전자들이 있으며 CB의 전자들이VB로 recombination될때도 올라갈 때와 똑 같은방법으로 direct recombination과 donor를거치고 VB로 떨어지는 전자들이 있습니다. 아무래도 recombination time이 길어지겠지요.

질문) intrinsic상태와 extrinsic 상태에서주소가 없는 전자들이 움직임.

답)먼저 intrinsic을 아무 doping을 안 한 순수한 SI이라 가정해봅시다. (실제로는 이렇게 만들기는 불가능합니다)

Intrinsic을 더 손쉽게 만드는 방법은 n type Si에 p type dopant의 양을 정확히 조절해서donor양과 acceptor양을 맞추어 intrinsic을 만드는 것이 더 쉽습니다.

아무튼 여기서는 이론적이고 아주 순수한 Si이라 생각하고 n type Si 두개의 물질에서 주소가 없는 전자들의 움직임은

위에서도 얘기한 것처럼 intrinsic은 밴드갭내에 어떤 state도 존재하지 않으니까 모든 excitation-recombination이band-to-band로 위아래로 왔다 갔다 합니다. 하지만n type 예를 들어 P가 도핑된 Si은 전자가 올라갈 때 donor level을 거치고 CB로 올라가고 떨어질때도 state를 거치고 올라가기 때문에 단지위아래 이동시간이 좀 더 걸린다는 것입니다.

지금까지 광학적으로 설명을 했고 전기적 즉 외부 전압을 주었을때도 비슷한 현상들이 발생하는데 특히 빈 state가 많을 경우는 Chapter 3을 시청하고 같이 논의를 하면좋겠습니다.

정리하면 donor level이나 acceptorlevel이 광학적으로는 약간의 시간 delay가 있지만 donor acceptor level없이는 p-n diode, MOSFET,BJT등의 소자를 만들 수 없기 때문에 기본적으로 donor, acceptor가 들어간반도체가 우리 기준이다 생각하면 좋을 것 같습니다.

2. donor level과acceptor level에 대해 질문드립니다.

제가 알고 있기로 conduction band와(CB) valence band는 (VB) fermi level 위에 있느냐 (CB) 혹은 아래에 있느냐 (VB) 로 구문하는 것으로 알 고 있습니다.

강의내용에서 Si-P n type doping에서는phosphorus에 의해 donor level이 기존의intrinsic fermi level보다 위에 생기게 되고 이로 인해 새로운 fermi level이 conduction band 와 donor level 중간에 생긴다고 이해했습니다.

그렇다면 1번 질문에 연결지어 donor level에 실제로 state가 존재한다면, 여기서 donor level이 VB가 되는 것이 아닌지요? fermi level 바로 아래에 donor state가 존재하기 때문에 VB가 되야할 것 같은데 혼란이옵니다

답) 정의에 대해서 오석재 학생이 오해한부분을 먼저 정리를 하겠습니다.

먼저 donor level, acceptorlevel, CB, VB등은 물리적으로 실제로 존재하나 fermi level은 에너지 밴드갭내에전자의 분포를 이해하기 위해 인간이 (페르미와 디락이라는 사람) 만든가상의 선입니다. 실제 물리적으로 존재하지는 않지만 이 가이드라인이 없었다면 반도체 해석이 불가능하겠지요.

여기까지 이해한 것으로 알고 CB와 VB를 fermi level위 아래 있다고 이해하지 말고

CB와 VB는애초에 Si-SI 화학적 결합에서 이미 태초에 생긴 겁니다. (에너지밴드갭 생성원리 부분을 다시 시청하면 CB와 VB 생성이자연스럽게 된다는 것을 알수 있지요) fermi level은 CB의전자수와 VB의 홀수의 비율에 따라 CB에 가깝거나 VB에 가깝게 가이드라인선을 그리는 겁니다.

CB와 VB는Si-SI화학적 결합시 이미 가장 밑바탕에 큰 틀로 생기기 때문에 그 이름이 바뀌고 그러지는 않습니다. Donor level이 존재하는 Si 즉 Si-P의 경우 donor level이 VB로 되지는 않습니다. Donor level은 그냥 donor이고 그 밑에 VB도 그냥 존재합니다. 단지 fermi level이 donorlevel이 있는 경우 절대온도 0K에서는 donorlevel과 CB사이 중앙에 가상의 선(fermilevel)을 그릴수 있고 온도가 올라가면 donor level전자와 VB에 있는 전자들이 CB로 여기 되면서 절대온도 0K와는 또 다른 전자의 분포 즉 CB의 전자수와 VB의 홀수가 달라져 fermi level은 점점 아래로 떨어지게 됩니다. (온도를 올렸을 경우) (교안 1e15페이지 참고)

이해가 되었기를 바라며 이해가 안되는 점은 언제든지 물어봐주고 인강의 장점이 반복시청이 가능하니 궁금한 부분은 반복시청을 통해서 이해가 되었으면 합니다.

나머지도 파이팅 하기 바랍니다.

안녕하세요! 취직 준비중에 반도체 관련 지식이 필요해 인강 수강중인 취준생입니다!

1. N-type, P-type 반도체할때 이N, P가 무엇의 약자인가요? 혹은 어떤 의미가 있나요?

2. GaAs가 휘발성 차이때문에 Asvacancy가 생겨 실제로는 slight n-type이라고 설명해주셨는데 잘 이해가 안갑니다 ㅜㅜ

Ga의 빈 state가 acceptor level을 만들어서 p-type이 돼야할 것 같은느낌(?)이라서요...!

반도체 전공을 수강하지 않아서 LG디스플레이 삼성전자SK하이닉스 등 기업 면접 대비하기가 곤란했는데

아직 몇 강 수강하지는 않았지만 설명을 잘 해주셔서 이해하기가 수월합니다.

계속 수강해나가면서 모르는 것 있으면 또 질문드리겠습니다 감사합니다 ㅎㅎㅎ

답)

1) n  type p type에서 n은negative의 약자이고 p는 positive의 약자입니다.

n type의 경우majority carrier가 전자 (electron)이고 – charge를 띄고 있기 때문에 n type이라 간략하게 말하고p type의 경우 majority carrier가 정공(hole)이고 +charge를 뜨고 있기 때문에 p type이라 간략하게 부릅니다.

2) Ga은 물질적으로 고체 덩어리입니다. 순수 Ga덩어리를 본적이 있는지 모르겠는데 실제로 보면 물컹물컹한 고체 덩어리처럼 되어있습니다. As도 물질적으로는 덩어리처럼 보이지만 공기중에 가만히 놔두면 휘발성이강해서 점점 양이 줄어드는 것을 볼 수 있습니다.  따라서 Ga 대비 As이 휘발성이 강해서 Ga과 As이1:1 로 결합하면 완전한 GaAs가 될텐데 As이 휘발성이 강해서 GaAs 합성시 아무리 Ga 함량을 1을 넣고 As을좀 더 많은 양을 넣어 고온 열처리로 합성하여 1:1로 만들려고 해도As 빈자리가 생긴다는 뜻입니다. 전문 용어로는 As의vapor pressure가 크다고 하지요. Vaporpressure가 크다는 얘기는 As이 휘발성이 있어서 어떤 일정 공간안에 두면 As의 기체화로 공간내에 기압이 조금 상승한다는 뜻으로 이해하면 됩니다.

여기까지 이해했으면 Ga과 As이 결합할 때 드문드문 As의 빈자리가 생기겠지요.

원래 GaAs의 경우 Ga의 최외각 전자 여분 3개가 있고 As는 최외각에 전자를 받을 수 있는 빈 state가 3개가 있습니다. (교안 1d 18페이지참고)

하지만 드문드문 As의 빈자리 (Vacncay)가 있어서 Ga으로 나온 3개의 여분 전자가 As으로 가야하는데 갈 데가 없어서 그냥 자유전자로변해버리는 거지요. 문제는 GaAs 결정화과정에서 아주 정성스럽게고온 장시간 열처리를 해서 As의 빈자리가 많지는 않습니다. 그래서자연스럽게 n type(3개의 여분 자유전자때문)이 되지만아주 약한 n type 다시 말해 n- type ( n minustype)이 된다는 뜻입니다.

이해가 되었기를 바라고

제가 얼마전만해도 삼성전자, 삼성디스플레이신입사원 면접관으로 매년 활동을 했기 때문에 삼성전자 나 삼성디스플레이에 지원시 심사위원이나 면접관에 눈에 띌만한 자소서와 면접에 관한 도움도드릴 수 있으니

도움이 필요하면 언제든지 요청하기 바랍니다. 다만취업이 성공하면 앤디솔에서 금전적 요구는 안 하겠지만 간단한 인터뷰를 통해 광고로 활용을 요청드리고자 합니다. 지금도물리학과 여학생을 자소서를 고쳐주어 삼성전자 1차 합격시켰습니다. 내일은앤디솔 사무실에 방문하여 면접에서 합격할 수 있는 방법을 알려주려 합니다. 파이팅하시고 원하는 회사에꼭 취업하기를 기원합니다.

 교안 1e 9페이지 연습문제에 Si Eg= 1.1eV, T=300K Nc=2.8x1019cm-3 Nv=1.04x1019cm-3 대해질문이 있습니다.

강의 중에 Nc와Nv를 각각 컨덕션 밴드에서의 빈방의 총갯수, 밸런스밴드의 전자가 채워진 스테이트의 총갯수라고하신 것 같은데

Si경우 결합하면서 8개의 빈 conduction band의 state와 8개의 valence band의 전자가 채워진 state가 생기게 되는데 ...

그렇다면 Si Eg에서 Nc=Nv는 결국 같아야되는게 아닌가요?

답) 먼저 답장이 늦어서 미안합니다. 오늘 해외출장을와서 지금 호텔방에 들어왔네요.

질문이 예리합니다. 물성적으로 설명을 하면 그렇습니다. 하지만한가지 빠진 부분이 있는데  

강의자료 1c 7페이지나 1d  7페이지를 보면 Nc(effectivedensity of state)에 대한 정의가 나옵니다.

전공책을 보면 Nv에 대한 정의도 나옵니다 Nc와Nv의 식을 보면 한가지 다른 점이 effective mass

즉 전자와 hole의 effective mass가다릅니다.

고전 역학적으로 설명하면 빈 state 4개와 채워진 state4개가 각각 위와 아래로 가서 band gap을 형성하지만

양자역학적으로는 hole과 전자의 유효질량도 고려합니다.

강의자료 1c의 14페이지에서도 intrinsic fermi level 구할때 즉 n0=p0일 때 fermi level이 정중앙에 있지 않은 이유에 대해서 설명했는데 이것도 고전역학적으로 설명하면 정중앙이지만전자와 hole의 유효질량이 다르기 때문에 정중앙에서 벗어났다고 설명을 했습니다.

정리를 하면 빈state와 채워진 state 각각4개는 CB, VB로 가지만 전자와 hole의 유효질량이 달라 결국 Nc, Nv가 차이가 발생한다고 알아두면나중에 다른 학생들이 모르는 좀 더 깊이 있는 반도체 지식이 되리라 생각이 됩니다.

질문) 답변감사합니다. 이해가 잘가게 적어주시네요!

질문 1) 1hole이라는 것이 입자성을 갖고 있으며, 실제로 흐르면서(움직이면서) 전류에 기여하는게 맞나요?

   아니면 전자가 빈 정공사이를 움직이는건데 사람들이편의상 hole이 움직인다고 하는건가요?

답) 답은 홀, 전자도 입자성/파동성을 가지며 질량도 가지고 있습니다. 실제로 흐르면서 전류에 기여합니다.

VB에 전자가 빈전공 사이를 움직일거라고저도 생각한 적이 있고 전자가 움직이다 보면 상대적으로 홀이 움직이는 것 아닐까라고 생각한 적이 있었습니다만

이질문의 답은 교안 1g의 drift current 식을 보면 확실히 알 수 있습니다.

J=q(nu(e) +pu(h))E

위식의 물리적 의미는 반도체 양쪽에 전압을 걸었을 때 전자의 전류 성분과 홀의 전류 성분이 합합친 것 전류, 여기서는 전류 밀도를 나타냅니다.

전자의 전류는 CB에서 흐르고 홀의 전류는 VB를 따라 흐르게 되는 것을 합친 값입니다.

또 주목해야 할 점은 u(e)와 u(h)전자의 이동도와 홀의 이동도입니다.

전자와 홀이 전압 또는 전장(e-field)를 걸었을 때의 각각 속도인데

이것으로 봐서 전자와 홀이 각각 방향은 다르지만 움직인다는 것을 알 수 있죠.

또 물질별로 전자와 홀의 질량도 가지고 있습니다.

교안 1g 5page에서 u(e)=qt/m(e)   u(h)=qt/m(h)로 표시되어 있습니다.

이동도는 각 물질의 전자와 홀의 effective mass에 관련되어있습니다.

이 질량이 가벼우면 훨씬 더 빨리 이동하겠지요.  Effective mass에 대해 더 알고 싶으면

다른 수강생이 질문에 대한 답을 정리한 것이 있으니 참고바랍니다.

(앤디솔 홈피/ 고객센터/자주하는 질문)

2. 전자는 ConductionBand(LUMO)에서 흐르고 hole은 ValenceBand(HOMO)에서 흐른다고 생각하면 맞나요?

    만약 맞다면,p형 반도체를 도선과 전지에 연결하고 전위차를 줬을 때 반도체에서 나온 hole도 흐르고 

    도선에서 나온 자유전자도 흐르는건데 자유전자와 hole이 만나서 빛이 방출되고 neutral 상태로 가지않나요?

말이 안되는 질문인건 아는데 전류쪽 개념이 잘 안잡혀있어서 헷갈리네요.. ㅎㅎ

답) 전자는 CB, 홀은VB로 흐른다고 위에서 설명은 했고. p형 반도체의 경우major carrier가 홀이고 minor carrier가전자입니다. 먼저 빛이 방출되는 조건은 반도체가 direct bandgap을 가져야합니다. Si처럼 indirect bandgap을 가진 물질은 빛(가시광선이상)을 볼수가 없지요. 물로 IR정도는 나올수있습니다, 정대섭학생이 빛이라고 얘기할 때 가시광선을 이야기 하는 것으로 이해했습니다.

Infrared 적외선은 우리눈에 보이지 않으니까요.

아무튼 밴드갭을 가지고 특히 direct band gap을 가지면더 훌륭한 빛을 얻을 수있고 (예를 들어 GaN와 같이 우리일상생활에 쓰고 있는 LED전구) 그리고 VB에서 CB로 에너지를 받아서 올라가 전자가 다시 recombination 될 때 에너지를 잃는 과정에서 빛을 냅니다 이것을 우리는 Photoluminescence라 부르죠. EL 즉 (Electro luminescence)현상으로도 빛을 낼 수가 있는데 이것은 최소한 pn junction을 가진 소자에서 전압을 가해 전자와 홀이 반대로 움직이면서 p-n junction 지역에서 전자가 recombination되면서빛을 발하게 되는 겁니다. 제가 옛날 박사과정에서 부전공으로 광학을 해서 이 정도의 답은 할 수가 있네요. ㅎㅎ  이쪽에관심이 많으면 LED 관련 전공책이 많으니 공부를 하면 OLED도쉽게 이해가 갈것으로 생각됩니다.

질문) 3. 첫강의에서 반도체를 정의하실때 '도핑을 통해 전자와 홀의 갯수를 조절할 수 있는 물질'이라고 하셨잖아요.

   도체는 자유전자가 너무 에너지가 높고 컨트롤하기가어려운데, 반도체는 전자나 홀을 컨트롤하기 수월해서 그게 장점이 된다고 생각하면 되나요?  

   음.. 그러니까예를들어 실리콘을 많이 도핑시켜서 좀 과장해서 상온에서 받는 열에너지만으로도 전류가 흐른다면 이실리콘이 반도체로서 역할을 할 수 있는건가요? 

   (도핑을 많이한 폴리아세틸렌이나 PEDOT/PSS도 Organic conductor라고하지 Organic Semiconductor라고 

   하진 않잖아요? 실제로도 Conductor로 사용하기도 하구요.)   

   제가 알기론 어떤 자극을 줬을때 전기가 통하고안줬을땐 안통하는게 반도체의 장점으로 알고 있어서요.

   트랜지스터 스위칭도이런 원리를 이용하는걸로 알고 있는데 정확한 정보를 알고싶네요 ㅎㅎ

답) 반도체의 장점은 전자와 홀의 농도를 인간이 자유자재로 조절 할수있기때문입니다. 정확히 조절된 전자와 홀의 농도를 이용해서 우리가 원하는 소자를 시뮬레이션을 통해 정확한결과를 얻을수 있다는 뜻입니다. 반면 도체는 전자가 무수히 많기 때문에 아무리 p type 물질을 도핑해서 전자의 수를 줄여야지 해도 절대 되지가 않습니다. 또한부도체 같은 경우 신소재 공학을 전공했으니 SiOx를 알수있겠지요? 여기에아무리 n type dopant를 집어넣어서 전자를 majorcarrier로 만들겠다 해보십시오 절대 안됩니다. 혹시 된다면 노벨상감이죠. ㅎㅎ

하지만 제가 2008년에 다른 사람들이 절대 반도체로 못만든다고 비웃었던 TiOx를 세계최초로 반도체화 한적은 있습니다. 이유는 그나마 TiOx의밴드갭이 3.0eV근처이기 때문에 가능했던 것입니다. 따라서 답은 “반도체는 전자나 홀을 컨트롤하기수월해서 그게 장점이 된다고 생각하면 됩니다.”

질문) 그러니까 예를들어 실리콘을 많이 도핑시켜서 좀 과장해서 상온에서 받는 열에너지만으로도전류가 흐른다면 이 실리콘이 반도체로서 역할을 할 수 있는건가요? 

   (도핑을 많이한 폴리아세틸렌이나 PEDOT/PSS도 Organic conductor라고하지 Organic Semiconductor라고 

   하진 않잖아요? 실제로도 Conductor로 사용하기도 하구요.)   

   제가 알기론 어떤 자극을 줬을때 전기가 통하고안줬을땐 안통하는게 반도체의 장점으로 알고 있어서요.

   트랜지스터 스위칭도이런 원리를 이용하는걸로 알고 있는데 정확한 정보를 알고싶네요 ㅎㅎ

답) Si에 n doping이든p doping이든 과다하게 도핑한 것을 degenerated되었다고하고 이럴경우 도체화 됩니다. 여기에 대한 설명은 이미 시청한 것으로 알고 있습니다.

organic반도체도 도핑을 많이 하면 degerated되어서 conductor로 만들수 있지요. Degenerate 의 정의를 다시 한번 인강 시청으로 리뷰하면 좋겠네요.

얼마만큼 도핑하느냐에 따라 반도체를 n- n+ p- p+ 또는 도체를만들수 있는 것이 반도체의 특징입니다.

트랜지스터의 스위칭은 MOSFET과 BJT를 공부하시고 나서 질문을 받도록 하겠습니다.

나머지도 열공하시고 반도체에 우수한 엔지니어도 거듭나기를 빕니다.

질문)우선 주말인데도빠르고 정성스런 답변주셔서 진짜 깜짝 놀랐어요. 감사합니다~

저는 급한건 아니라서 굳이 주말에 쉬시는데 답변안주셔도 되고 평일날주셔도 됩니다ㅎㅎ

아 그리고 저는 대학생인데 신소재공학과라 유기반도체 수업이 있어서질문 드렸어요.

아무튼 doping 관련질문입니다.

n-type P doping을 예로 들면 선생님께서'donor electron이 Donor Level에 걸쳐있다'라고 하셨는데

그러면 페르미준위는 Donorlevel(전자 발견확률 100)과 conductionband(전자 발견확률 0)의 중간이므로 P로아무리 도핑을 해도 

페르미 준위는 변하지 않는거잖아요.온도에 따라선 분포만 바뀌는거 맞죠?

그런데 제가 학교에서 교수님께 도핑을 할수록 페르미 준위가 올라간다고들었는데

교수님께서 편의상 그렇게 말씀하신 건가요?

특히, Polyacetylene의경우 많은 도핑을 통해서 Conductor 정도의 전도성을 얻을 수 있는걸로 알고 있는데 좀 헷갈리네요.

고분자 도핑이랑은 또 다른 얘기인건가요?

답) 먼저 짚고 넘어 가야 할 것이 있습니다. Donorlevel은 물리적으로 에너지밴드갭내에 실제로 존재하는 level입니다. 하지만 fermi level은 인간이 만든 가상적인 선입니다. 실제로 밴드갭내에 존재하지는 않고 반도체내 전자의 분포를 해석하기 위해 페르미와 디락이라는 사람이 만든 가이드라인이라 할 수 있습니다. 이 페르미 레벨이 없었다면 반도체를 어떻게 해석할 수 있었을까 하는 생각도듭니다.

여기까지 일단 이해를 했고

아직 정대섭학생이 교안 1e를 안들었는데 먼저 질문을 했군요.

질문중에 “그러면 페르미준위는 Donor level(전자 발견확률 100)과 conduction band(전자 발견확률 0)의 중간이므로 P로 아무리 도핑을 해도 

페르미 준위는 변하지 않는거잖아요.온도에 따라선 분포만 바뀌는거 맞죠?”

에서

페르미준위는 Donor level(전자 발견확률 100)과 conduction band(전자 발견확률 0)의 중간=> 이부분은 정확히 맞습니다. 페르미 준위의 정의가 전자를 발견할수있는 확률 50%이기 때문에 donor level (100%)와CB(0%)사이 중앙에 위치하겠죠 단. 절대온도 0K에서입니다. 하지만 온도가 올라가면 페르미-디락분포식에따라 D.L에 존재하는 전자들과 VB에 존재하는 전자들이 가만히 있지 않고 CB로 치고 올라가겠지요. 페르미-디락 분포식에 따라서. 온도에따라 분포가 바뀝니다.

또한 농도에 따라서도 페르미 레벨의 위치가 바뀌죠. 교안 1e13페이지에 정리가 되어 있습니다. 페르미 디락분포식에 농도를 달리해서 넣어 계산했더니fermi level위치가 밴드갭내에서 움직이지 않습니까?

물리적으로는 donor level에 10e15과10e19 cm-3 농도가 있다면 당연히 10e19 도핑농도가확률적으로 더 많이 CB로 올라갈 확률이 높겠지요.

Fermi-level의 위치 결정은 CB의 전자수와 VB의 홀수의 비율에따라 CB에 가까워 지느냐 VB에 가까워지느냐를 따지는 겁니다.

예를 들어 CB에 전자의 수가 많고 상대적으로 VB의 홀수가 적다면 fermi level은 CB쪽으로 위치할 것이고 VB의 홀수가 CB의 전자수가 많다면 fermi level은 VB쪽으로 위치하지 않겠습니까?

머리속으로 상상이 되는 정성적인 전자와 홀의 분포를 페르미와 디락이 분포식을 만들어 정량적으로 정확히 해석한것입니다. 그래서 강의에도 페르미-디락분포식에 감사해야한다고한것입니다.

어떻게 이런 식을 만들 수 있었을까 옛날 과학자들이 마차나 타고 다니던 시절 에너지 밴드갭내에 전자의 분포를눈으로 보지도 못하면서 이런식 을 만든다는 게 감탄을 금할 수가 없고 이 덕분에 반도체 산업이 이렇게 발전되었다고 개인적으로 생각하고 있습니다.

P를 예를 들었는데 Phosporus를도핑하면 Si 반도체의경우 CB에서 약 0.044eV 만큼 떨어진 위치에 donor level이 존재합니다. 아무리 P를 많이 도핑해도 이 donorlevel위치는 바뀌지 않고 fermi level만 바뀌는 것을 잊지 말기 바랍니다.

질문) 특히, Polyacetylene의 경우 많은 도핑을 통해서Conductor 정도의 전도성을 얻을 수 있는걸로 알고 있는데 좀 헷갈리네요.고분자 도핑이랑은또 다른 얘기인건가요?

답) 유기반도체도 밴드갭이존재합니다. CB를 LUMO VB를 HOMO라고 terminology만 좀 다를 뿐입니다.

유기반도체에서 도핑을 해서 전도성이 좋아지게 하는 문제도 같은 반도체이론으로 해석하는 것이 맞는데 유기물 연구하는 공학자들이 자존심 때문인지 쓰는 용어도 좀 다르고 밴드갭 align이나fermi level 문제를 Si과 같은 무기물 반도체와조금 다르게 표현하고 해석하는 것 같습니다. 이론적으로는 같다고 볼 수 있습니다. 어차피 LUMO위에 전자의 수가 많아야지 전도성이 좋아지는 것이니까doping을 할 경우 밴드갭내에 CB 근처에 존재하는 donor로 doping을 하지 않겠습니까?

정대섭학생은 반도체에 상당한 지식을 가지고 있는데 조금만 더 공부한다면 청출어람이 될 수있을 것 같습니다. 나머지 부분도 열심히 시청하시고 질문이 있으면 또 서로 논의합시다. 좋은질문은 나를 설레게 만들고 답을 주는 즐거움이 있답니다.

언제든지 물어봐주기 바랍니다. 그리고 강의가 좋다고 느껴지면 혼자만듣지 마시고 여러 주의 친구들에게도 추천 바랍니다. 진짜 실력은 강의만 들어서 늘어나는 것이 아니고좋은 강의와 질문과 답을 통해서 실력이 늘어납니다. 혼자만 실력을 쌓지마시고 주위에 친구분들에게도 추천해주면고맙겠습니다.

답을 빨리 주는 것은 홈페이지 다른 수강후기들을 읽어보면 알겠지만 앤디솔의 장점입니다. 질문을 받으면 수강생이 얼마나 궁금하면 질문을 남길까 하는 생각에 가능한 바로 답을 줘야 직성이 풀리는 성격이니까앞으로도 질문이 올라오면 해외출장을 가지 않는 이상 바로 바로 답을 줄 테니 언제든지 물어봐주기 바랍니다.

또 다른 질문을 기다리면서…