해커스잡 김동민선생님의 반도체핵심완성강의 수강하였습니다.
오늘은 energy band와 fermi level, p-n junction의 depletion layer 및 dopin concentration의 변화에 대해 배웠습니다.
강의 제목은 아래와 같으며 참고하시면 될 것 같습니다!
해커스잡 [기본] 1강 [핵심이론] energy band와 fermi level
해커스잡 [기본] 5강 [반도체 소자] p-n junction 1 : Depletion layer / Doping concentration에 따른 변화
김동민 선생님 강의는 항상 강의자료를 나눠주셔서 참 좋은 것 같아요.
(저작권 때문에 게시할 수가 없네요 ㅜㅜ)
아무래도 전공으로 공부하던 과목이 아니다 보니 이해가 안가는 부분은 다음에 또 확인하기 위해서 선생님 말씀 들으면서 엄청 필기했어요.
중요내용 정리해드리겠습니다!
해커스잡 [기본] 1강 [핵심이론] energy band와 fermi level
1. 반도체의 이론적 분류 – 불순물 doping 여부
- Intrinsic : 불순물 X
- Extrinsic : n-type, p-type, compensated
2. Energy band
- 정의 : 단 원자 상태가 아닌 원자가 집단을 이루고 있을 때, 전자의 에너지 준위 구조
3. Energy band gap
- 실리콘(Si)을 예시로 가정한다면, 최외각 껍질인 세 번째 껍질은 3S와 3P로 나누어진다.
- 3S에는 전자가 2개, 3P에는 전자가 2개, state가 4개 존재
- 원자간 거리가 가까워질수록 3S와 3P가 overlap되면서 electron과 state의 에너지 준위가 나누어진다.
- 이 상태에서 더 가까워지면 에너지 준위가 split 되면서 electron으로 가득 찬 valance band와 state만 가득한 conduction band로 존재하게 된다.
- 그리고 그 사이에는 electron이 안정적으로 존재할 수 없는 구역인 band gap이 형성된다.
4. Energy band에 따른 도체, 반도체, 부도체 분류
- 도체 : conduction band와 valance band가 overlap 되어 있어서 아무리 불순물을 더 넣어도 동일한 양의 전류만 흐르게 된다. 즉, 전기전도도가 제어가 되지 않는다.
- 반도체 : conduction band와 valance band사이의 거리 즉, band gap이 적절하게 떨어져있어서 온도 혹은 불순물을 통해서 전기전도도의 제어가 가능하다.
- 부도체 : conduction band와 valance band사이의 거리 즉, band gap이 너무 멀리 떨어져있어서 불순물을 넣어도 전기가 통하지 않는다. 전기전도도 제어가 되지 않는다.
5. Fermi level
- electron를 발견할 확률이 50%가 되는 가상의 energy level
6. Fermi-Dirac distribution function
- k : Boltzmann 상수, T : 온도(K), E_F : Fermi level
- Fermi-Dirac distribution function에 의해서 fermi level은 수학적으로 계산이 불가능하기 때문에 절대온도 0K에서 fermi level에 전자가 얼마나 존재하는지 알 수 없다. 하지만, 0K에 아주 근접하는 낮은 온도를 대입하면 50% 의 확률이라는 것을 알 수 있기 때문에 절대온도 0K에서 fermi level에 전자가 존재할 확률은 50%가 된다.
7. Carrier concentration
- Equilibrium 상태에서 conduction band 안의 electron의 농도 or valence band 안의 hole 농도
해커스잡 [기본] 5강 [반도체 소자] p-n junction 1 : Depletion layer / Doping concentration에 따른 변화
1. p-n junction 제작 방법
- n-type 또는 p-type substrate에 반대 극성 dopant를 doping하여 제작
2. Depletion layer의 정의 및 형성원리
- 정의 : 전자가 diffusion에 의해 움직이는 힘과 field에 의해 움직이려는 힘이 동일해지는 구간
- 형성원리 : majority carrier의 diffusion 및 남겨진 전하에 의해 형성된 E-field의 영향으로 형성.
3. Doping concentration에 따른 depletion layer width 변화
- E=V/d ( E : Electric field, V : Voltage(built in voltage), d : Distance (depletion width)
- depletion layer를 유지할 수 있는 E-field를 만들기 위해서는 majority carrier가 이동해야 한다.
- p-type의 경우 농도가 높기 때문에 좁은 거리를 이동해도 충분하다.
- 반면에 n-type의 경우 농도가 낮기 때문에 상대적으로 더 먼거리를 이동해야한다.
- 결국 도핑이 적게되면 적게될수록 depletion layer의 width가 넓어지게 되는 것이다.
중요 내용들을 적어보았구요. 김동민 선생님 강의는 들을 때마다 만족하는 것 같습니다! 처음 듣는 사람도 있다는 걸 염두에 두고 강의하셔서 그런지 정말 세부적으로 잘 설명해주시는 것 같아요. 특히, 이해가 가기 어려운 부분을 적절한 예시를 들어서 설명해주시니 훨씬 이해가 잘 갑니다!
김동민 선생님의 트레이드 마크?라 해야할까요
오늘 두 개의 강의 Self-assessment입니다.
1. Si의 Energy band structure에 대해 설명하시오.
2. Fermi level의 정의와 물리적 의미에 대해 설명하고, 온도에 따른 차이점에 대하여 설명하시오.
3. p-n junction에 따른 Depletion layer가 생기는 원리와, 그에 따른 energy band 변화에 대하여 설명하시오.
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