반도체에서 Carrier는 홀과 전자입니다.
이 Carrier가 움직이는 원리는 다음과 같습니다.
Drift : Electric field에 의한 Carrier의 이동
Diffusion : Carrier의 농도차에 의한 확산
먼저 Drift에 대해 서술하겠습니다.
반도체 내에서 전하의 속도는 어떻게 변할까요?
다음 그림과 같이 자유전자는 Electric field에 의해 전위가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 끌려가게 됩니다.
이러한 전자의 이동은 곧 전류의 발생을 의미하며, 전류의 방향은 전자의 이동방향과 반대인 높은 전위에서 낮은 전위로 형성 됩니다.
이 Electric field 속에 존재하는 Carrier는 전하량이 크거나 Electric field의 힘이 강할수록 더 큰 힘을 받습니다.
제가 그린 그림을 보며 조금 더 미시적으로 확대해서 관찰해보겠습니다.
반도체 양단에 전압을 걸어주면, 전자는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 형성되는 Electric field에 의해 힘을 받아 등가속도 운동을 하게 됩니다.
그러나, 실리콘은 상온에서 그림과 같이 진동을 하고 있기 때문에, 이동하던 전자는 실리콘과 부딪히게 됩니다.
반도체 내에서 전자는 힘을 받아 점점 빨라지다가 실리콘 격자와 충돌하면 속도가 줄어들고 다시 빨라지고를 반복합니다.
이를 거시적으로 보면 전자는 일정한 전기장에 대해 등속운동을 하는 것처럼 보이게 됩니다.
(전기장의 세기와 전자의 속도는 비례하는 관계입니다.)
다음은 Electric field에 의해 홀이 움직이는 모형을 나타낸 그림입니다.
인접한 Valence band의 전자가 Electric field로부터 에너지를 받아서 오른쪽의 홀을 채우고,
다시 자기 자리에 홀을 만드는 과정을 반복하면 홀이 Electric field의 방향으로 움직이는 것처럼 보입니다.
즉 (+)전하를 띤 알갱이처럼 동작하는 것입니다.
전자와 홀의 Drift 모형을 보면 홀의 경우가 더 어렵다는 것을 알 수있는데, 이러한 전자와 홀의 이동도의 차이는 회로 설계에 결정적인 영향을 미칩니다.
같은 조건이면 전자가 홀보다 3배 정도 큰 전류가 흐르므로 보통 트랜지스터는 전자가 major carrier인 N형 반도체를 중심으로 설계합니다.
(이런 Drift 전류를 이용하는 트랜지스터를 FET(Field Effect Transistor)라고 합니다)
이번에는 Diffusion에 대해 서술해보겠습니다.
자연의 원리중 하나는 엔트로피 (무질서도)가 증가하는 방향으로 움직인다는 것입니다.
빅뱅 이후 우주가 팽창하는 현상, 교실에서 방귀를 뀌면 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 퍼져나가는 현상을 예로 들 수 있습니다.
이런 농도 차이에 의해 Carrier가 흐르는 현상을 DIffusion이라고 합니다.
확산에 의해 홀과 전자는 모두 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 전류는 서로 반대 방향입니다.
이러한 확산전류를 이용하는 소자는 P형 반도체와 N형 반도체의 접합으로 구성되는 PN junction diode 와 BJT (Bipolar Junction Transistor) 정도가 있습니다.
※ 반도체의 온도 의존성
반도체는 온도에 대해 민감하게 반응합니다.
조금 전에 본 Drift 모형을 보면 Carrier 이동도의 온도에 대한 의존성을 이해할 수 있습니다.
온도가 올라가면 실리콘 격자의 진동이 심해지고 Electric field에 의해 움직이는 Carrier와 더 많은 충돌을 일으켜서 이동이 어려워집니다.
따라서 반도체 회로는 높은 온도에서는 이동도가 떨어져서 전류가 잘 흐르지 못해 동작하기 어려워집니다.
여름에 전산실에서 에어컨을 틀거나 컴퓨터의 Fan을 돌리는 이유도 반도체 칩을 식혀 이동도의 저하를 막기 위함입니다.
출처
260개의 핵심 개념으로 이해하는 기초 전기전자 에센스(한빛아카데미)
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