Chapter 1-4) Carrier Concentration vs Temperature

※시작에 앞서, 학업을 위해 정리해 놓은 내용들이므로 틀린 부분이 있을 수 있다.

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1. Carrier Concentration vs Temperature

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1. Carrier Concentration vs Temperature

이번 포스팅은 조금 짧은데, 내가 공부하면서 이해하기 가장 어려웠던 부분이다. 온도에 따른 캐리어 농도의 변화이다.

 

우선 다음 그림을 보자.

 

 

각 온도 영역에 따른 전자의 농도는 다음과 같다.

 

 

 

하나씩 천천히 살펴보자.(가정은 silicon doped라고 하자!)

 

온도가 0K 지점에서는 캐리어 농도가 당연히 0이다. 전자의 이동이 일어나지 않기 때문이다.

 

낮은 온도 영역에서는 Donor level에 해당하는 전자들이 conduction  band로 조금씩 올라가게 된다. 이 때, n = ND+인데, 우리가 앞에서 알아본 neutrality에서도 볼 수 있었듯이, 실제로는 중성이지만 전자가 분리가 되면서 ND^+ + e로 되는 것을 알 수 있었다. 따라서 낮은 온도 영역에서는 Donor level의 전자들이 조금씩 올라가게 되므로 캐리어의 농도가 ND^+가 되는 것이다.

 

다음으로는 Moderate 영역이다. 보통 이 영역대는 100K라고 한다. Donor레벨에 해당하는 모든 전자들이 conduction band로 넘어갔기에 n = ND가 되고, extrinsic 상태가 된다.

 

마지막으로 높은 온도 영역대에서는 Valence band의 전자들이 conduction band로 올라가게 되는데, 왜 이 영역을 intrinsic 영역이라고 한다. 나는 공부를 하면서 이 부분이 가장 이해가 안 됐었다. 분명히 intrinsic이라 함은 중앙의 느낌이 강하고 어떤 외부 force도 받지 않은 상태인데, 온도가 올라가면 올라갈수록 intrinsic이라는 것이 아무리 생각해도 무슨 의미인지 몰랐다.

하지만, Intrinsic의 의미를 잘 생각해보자. 이전 포스팅에서도 볼 수 있듯이 n = p = ni 상태를 우리는 intrinsic 상태라고 했다. 높은 온도 영역에서는 그림에서 볼 수 있듯이 valence band, 즉 Silicon의 최외각 껍질에 있는 전자들이 conduction band로 올라가게 된다. 즉! 높은 온도 영역대에서는 Silicon의 전자들이 conduction band를 채우고 있다는 의미이다. 이는 conduction band에는 당연히 n = ni의 캐리어들이 존재하게 되기 때문에 intrinsic 영역이라고 하게 된다.

 

어떤 영역에서 어디가 관여를 하는지 잘 생각해보면 왜 위 그래프와 그림이 나오는지 이해가 될 것이다.

 

다음 포스팅에서는 캐리어들의 반도체 내 움직임에 대해서 포스팅하고자 한다.