반도체의 기본 원리 - Transistor

Transistor 이란? 어원: Transfer+resisitor Transistor 는 John Bardeen 과 Walter Brattain 에 의해 발견 1947년에 Bell 연구소에서 처음으로 공개 이러한 업적으로 1956년에 노벨상을 받음 Bardeen 은 1971년에도 노벨상을 받음 Transistor 는 어떤 물질로 구성되어져 있는가 ?  .과학이란? : 물질의 물성을 이해하고 인간의 편의에 도움을 주는 형태로 개발하는 것 .물질의 분류 1. 유기물질 :몸, 식물, 식료품, 나무, 종이 등 , 주성분 탄소 , 산소, 수소 2. 무기물질 : 흙, 돌, 금속, 반도체 등 일반적으로 산화물로 존재  .지구상에 많이 존재하는 물질들 (wt%) O>Si>Al>Fe>Ca>Na>K>Mg>Ti>H →99.15% 를 차지 .이 중 반도체 재료인 Si는 27.7%로 다른 고체 원소에 비해 압도적으로 다량으로 존재 .인류문명의 발달은 이러한 무기물질의 발달과 함께 이루어졌다 :석기시대→(불의 사용 )→청동기시대→철기시대 .왜 알루미늄시대 라든가 티타늄시대는 없는가 ?  Cu : 융점이 1083C°, 은 다음으로 전기 전도도가 좋아 전기 배선 재료로 사용 , 비중 : 8.93 Fe : 융점이 1534C°, 가장 범용적이 재료로서 주로 탄소강으로 사용 , 비중: 7.86 Al : 융점이 660C°, 금속 중 지구상에 가장 많이 분포 , 1850 년대 발견 , 연성 및 전성이 뛰어남 , 산소와의 결합력이 강함 , 부동태피막을 형성하여 산화를 방지함 비중이 2.7로 경량화 금속으로 장래가 밝음 특히 Al합금은 고강도 경량합금으로 여러분야에 응용되고 있음 Ti : 융점이 1725C°, 1790 년대에 발견 , 비중이 4.5, 내식성, 강도, 생체적합성이 뛰어남. 의료분야 및 우주항공산업에 응용되어지고 있고 비약적인 발전이 기대됨 Si : 지구상에 가장 많이 존재하는 고체원소 , 1950 년 이전에는 전혀 공업적으로 사용되지 못함 (취성이 너무 강해서 ), 최근에는 반도체 재료로서 각광을 받고 있음  물질을 전기적 관점에서의 분류 1020 1016 대소전기저항 부 도 1012 체 108 104 1 전 10-4 도 체 10-6 폴리에틴렌 고무 유리 실리콘 게르마늄 graphite 니크롬 구리 반도체  반도체의 정의 1. 저항이 10-4.cm ~ 1010 .cm 2. 저항의 온도에 대한 의존성이 negative Si, Ge ; 일반적인 금속과 반대 3. 전기저항은 불순물에 민감하게 영향을 받음 4. 광전효과, 홀효과, 정류작용 등이 나타남 왜 이러한 물질들이 위와 같은 특징을 갖는가 ? 외부의 자극에 의해 저항이 민감하게 변화하며 , 전자와 hole의 두 종류의 입자가 존재하기 때문에 pn접합이라는 입자에 대한 barrier( 장벽)를 만든다  반도체의 기본 원리 1. 결정 2. 원자 3. Band 이론 4. Hole 이란 5. 불순물의 움직임 6. 반도체내의 캐리어의 움직임 7. Fermi 준위 8. P-N 접합  1.결정 단결정이라도 0.01% 의 불규칙 배열이 존재한다  결정 격자의 구조 1. 단순입방 구조 (simple cubic) : 정육면체 각 모서리에 원자가 위치함 2. 체심입방 구조 (bodycentered cubic); a-Fe, d- Fe : 입방체의 중심에 원자가 하나 더 있음 3. 면심입방 구조 (facecentered cubic); g-Fe : 입방체의 각 면에 원자가 하나씩 있음  4. 다이아몬드 구조 ; FCC+(a/4, b/4, c/4)→Si, Ge 원자의위치; 모서리: (000), (100), (010), (001), (110), (101) (011), (111)→8개의 격자가 공유 면 : (1/2,1/2,0), (0,1/2,1/2), (1/2,0,1/2), (1/2,1/2,1), (1,1/2,1/2), (1/2,1,1/2), →2개의 격자가 공유 결정내 : (1/4, 1/4 ,1/4), (3/4, 1/4 ,3/4), (3/4, 3/4 ,1/4), (3/4, 3/4 ,1/4), →한 개의 결정내에 4개의 원자 한 개의 결정내에 8개의 원자가 존재  5. 섬아연광 구조 (Zinc Blende structure); FCC+(a/4, b/4, c/4) III-V 족 화합물 또는 II-VI 족 화합물 ; GaAs, InP, ZnS Ge: (000), (100), (010), (001), (110), (101), (011), (111), (1/2,1/2,0), (0,1/2,1/2), (1/2,0,1/2), (1/2,1/2,1), (1,1/2,1/2), (1/2,1,1/2), As: (1/4, 1/4 ,1/4), (3/4, 1/4 ,3/4), (3/4, 3/4 ,1/4), (3/4, 3/4 ,1/4) 1cm3안에 몇 개의 원자가 들어 있을까 ?→8/a3  원자 충진율 (atomic packing factor; APF)→FCC a 단위결정에 포함된 원자의 수 ; 4개 (100) FCC  2.원자 H원자 Si원자 원자궤도 원자핵(+전하) 전자(-전하) 이러한 궤도가 왜 생기는가 ? 이러한 원자의 세계의 움직임을 설명하는 학문이 양자역학 원자핵(+전하) 핵제1궤도(전자2개) 제2궤도(전자8개) 제3궤도(전자4개)  2. 원자(Si의 경우 공유결합 ) d Si Si 최외각궤도 반도체의 경우 금속의 경우  3. Band 이론; 반도체의 여러가지 현상을 이해하기 위해 필요 원자핵제일궤도제이궤도제삼궤도제사궤도에너지를받으면전자가튀어오른다자유로이이동가전자대(valence band) 금지대(forbidden band 전도대(conduction band) 제일궤도 제이궤도 Band; 같은 궤도라도 높이가 틀림  소수의 전자가 존재 전자가 없음 3.Band 이론 윗band 전도대(conduction band) 전자의 금지대(forbidden band) 에너지 아래band 다수의 전자가 존재 가전자대 (valence band) 반도체 관련 서적에는 반드시 나옴 알기 어려운 원자의 세계를 우리가 알기 쉽게 해 주는 방법 1. 가전자대; 원자의 가장 외곽의 궤도에 해당 , 원자 1개당 8개 분의 전자 통로가 존재 Si원자의 경우 최 외곽에 4개의 전자를 가지고 있지만 결정전체로는 공 유 결합을 하고 있기 때문에 최 외곽에는 전자가 꽉 차 있는 것에 상당 . 그러므로 전자가 자유로이 움직일 수 없음 . 2. 금지대; 전자가 존재하지 않음 . 그렇다고 어떠한 역할도 하지 않는 것이 아님 이 금지대의 폭을 eV로 나타내어 반도체에 따라 틀리고 , 그 물질의 성질을 결정하는 중요한 양이다 (E) 3. 전도대; 전자가 머물 수 있는 곳 . 는 많지만 전자가 없는 상태 . 만약 전자가 가전 대에서 여기로 올라 오면 결정 중을 자유로이 다닐 수 있다 . 통로(g)  3.Band 이론 . 반도체가 에너지를 받으면? ←열에너지 . 얼마만큼의 에너지가 필요한가 ? . 0˚K에서 ? . 실온 300˚K에서 ? 전도대 금지대 가전자대 Energy gab→물질마다 틀림  3. Band 이론 1. 반도체 2. 부도체 3. 도체(금속) 전도대 가전자대전도대 전도대 금지대 Energy gab 금지대 가전자대 가전자대 각 종 물질의 energy gab(eV) Ge Si ZnSb AlSb GaP GaAs InSb ZnS Diamond 0.78 1.21 0.56 1.6 2.4 1.45 0.23 3.7 5.33  4. Hole( 전자가 빠진 구멍 ) 전자 - Si핵+ 전자 Si핵+ + + + + + + +++ + + + + - -- - - - - - - -- - 에너지 중성 중성인 상태에서 전자 (-) 가 빠져서 (+)로 대전 (+) 전하를 갖는 입자 (?)를 hole이라고 함 -  4. Hole( 어떻게 움직이는가 ?) 수준기 에테르+메탄올제거 Si Si Si Si Si Si Si Si Si - + A BC D A→B→C→D  4. Hole 에너지 - + 이동이동 전도대 전자 금지대 hole 가전대 이 두 입자가 전기를 운반한다 . 이 입자가 증가할수록 저항이 작아져서 전기는 잘 통하게 된다 . 1 저항. 전자의수와 hole 의수 실온에서 전자의 수와 hole 의 수가 같다고 하면 각각 5X106/cm3이다. 이것은 Si원자가 1cm3당 1022개 있을 때 인류 인구 중 한 명이 선택되는 확률과 같다 하지만 200C가 되면 대부분이 전자들이 자유전자가 된다  5. 불순물(impurity) 의 움직임 .진성 반도체 (intrinsic semiconductor↔외인성 반도체 ); 불순물이 없는 반도체 →일반적으로 전자와 홀의 수가 같음 .현재의 정제 기술로서는 99.999999999% 까지 가능 ;어떻게 측정하는가 ? 불순물은 반드시한 개의 전자를내어놓음 -전기 저항을 측정함 (1011중의한 개 ) .불순물은 반도체의 성질에 큰 영향을 미침 .반도체에서의 불순물은 조미료 또는 양념과 같은 구실 .불순물은 반도체의 맛을 자유로이 조절 가능 .특히 3족 원소 (Ga, B, In) 와 5족 원소 (Sb, As, P) 은 중요한 원소임 .이러한 불순물을 원하는 양만큼 원하는 장소에 첨가하는 기술은 반도체 기술의 근본이라고 해도 과언은 아니다 . .악영향을 미치는 불순물은 금 , 동과같은 원소 →전자와 hole을 강제적으로 결합시킴 이러한 원소를 역으로 이용하는 경우도 있다  5. 불순물(impurity) 의 움직임 2 3 4 5 6 B C N O Al Si P S Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te Hg Tl Pb Bi Po 5족의 원소를 첨가했을 경우 여분의 전자 고정전하 핵과 결합력이 약함 Si Si Si Si Si Si As Si Si Si Si Si Si Si Si Si - 최외각 전자 다섯개 최외각 전자 네개 최외각 전자 세개 자유전자가 첨가된원자 수 만큼 전자를방출 되기쉬움 Donor  5. 불순물(impurity) 의 움직임 진성반도체 불순물 반도체 (5족) - + 전도대 전자 점선의 이유 고정이온 Donor level(ED) - 전자;적은에너지로쉽게상승+ 직접점프 Energy gab 금지대 Energy gab 어려움 hole 가전자대 ED의 위치는 반도체의 온도를 바꿔가면서 측정가능 ED =kT=0.026eV(at 300K) K;볼츠만 정수 T;절대온도  5. 불순물(impurity) 의 움직임 3족의 원소를 첨가했을 경우 전도대 Si Si Si Si Si Si In Si Si Si Si Si Si Si Si Si + 금지대 Acceptor level(EA) hole 고정이온 + 자유hole - 가전자대 그럼이 홀이 움직일수 있을까 ? 결합하지 못한 Si의 전자 →5족을첨가했을때와비슷 이홀은항상전자를당긴다 . 하지만 전자는 없다 . 남은 전자가 전도대로 올라 갈까 ? 억지로 옆 원자를 뺏으려고 함 Si전자는핵에 끌려 있다 . 즉 가전자대에 묶여 있다 전도대까지 점프를 하지 않더라도 손쉽게 옆 원자에서 이 전자는 전자와 결합하기 위해 전자를 끌어 전자를 얻음 , 즉 가전대에서 바로 근처로 전자가 옮겨 감 Hole 개념 당기는 힘이 있다 . 즉 (+)전하→hole In은 항상 전자를 받으려고 하니 Acceptor 라고 함 5족의As는 +전하를가지고한 개의 전자을방출 In을 첨가할 경우 In는 .전하을 가지고 +을 hole 을 Hole 과 전자는 동전과 앞면과 뒷면 방출하는 것과 같은 개념 이러한 불순물을 어떻게 첨가가 관건  5. 불순물(impurity) 의 움직임 외인성 반도체의 저항치 Donor 의 수와 비저항의 관계 100 비저항 . . .. . DNe1 e; 전자한 개의전하 (1.6X10-19) ND; 1cm3당의 donor 수 .; 전자이동도 (Ge의 내에서는 전자는 3600cm2/V-sec) j: Ge 의 비저항 (W-cm) 10 1.0 진성반도체 영역 0.1 1013 1014 1015 1016 ND:Ge1cm3안에 있는 As의 원자수 (cm-3) Ge;50W-cm Si;20W-cm  6.반도체내의 캐리어의 움직임 N형반도체 ; Si 이나 Ge에 5가 금속 (Sb,As 등)을 첨가 (negative) 불순물 반도체 p형반도체 ; Si 이나 Ge에 3가 금속 (In, Ga 등)을 첨가 (positive) j: Ge 의 비저항 (W-cm) 100 n형p형 N형이 저항이 적다 . 왜? 전자의 이동도가 빠르기때문 . 10 전자와 홀의 입자를 carrier 라고 함 N형 반도체 내에도 홀이 존재 →소수캐리어 1.0 전자 →다수캐리어 0.1 0.001 0.01 0.1 1 불순물의 농도 (ppm)  7.Fermi 준위 Fermi-Dirac 분포 함수 물질1 물질2 ------ - ------ ----- - - ----- ----- ------ ------DEF Fermi준위 EF EF 0K 1/2 저온 고온물질에 따라 전자의 수가 틀림 →Fermi 준위가 다름 0 0.5 1 깃털과 전자의 비교 전자의 비율 에너지  8.pn 접합 n형 p형 - - -- - -- + + + + + + + n형과 p형을 접합할 경우 전류가 흐르는가 ? 전하 + - + - n형 + -p형 -+ (+)고정전하 (-) 고정전하 (donor) (acceptor)  8.pn접합 가전자대 전도대 - - - - - + + + + + EF 상온 고온 진성반도체 1/2 홀5개분 전자5개분 n형 반도체 가전자대 전도대 - - - - - + + + + + 1/2 p형 반도체 가전자대 전도대 + + + + + EF ED EF EA + - - - - - = - - - + + + EF E n형 반도체 p형 반도체 Fermi 준위가 일치해서 전류가 흐르지 않음 궁핍층  8.pn 접합(정류작용) 정방향 --- n형반도체p형반도체- EFn EFp 1 volt 의전압차0 volt + ++ + + E--- +++ p형반도체F E +1 volt n형 반도체 --- + ++ EF E n형반도체p형반도체2 volt 의전압차-열에너지로인해생긴전자열에너지로인해생긴홀+ -+ 역방향  8.pn 접합(정류작용) 정방향 p형 항복현상 ---+ ++ n형p형- --- - + ++ + + n형전류역방향p 형에(+)n 형에(+) 포화전류열적으로발생한소수캐리어(전자)로인해  8.pn 접합(항복현상) 고전압(10V-1000V) 열에너지로 인해 생긴 전자 ---+ ++ p형반도체- + ---+ ++ p형반도체- 열에너지로 인해 생긴 홀 n형 반도체 n형 반도체 역방향 전자사태(electronic avalanche) 터널 효과 (Tunnel effect)) 전류가 증가해도 전압은 거의 일정 =>정전압다이오드  8.pn 접합(Tunnel diode) 불순물을아주 많이첨가한 경우 + EF p형반도체- I 일반의 pn접합의 경우 n형 반도체 마이너스저항 V  8.pn 접합( 빛) P-N 접합에 빛을 비추면 어떻게 될까 ? 빛은 에너지 =>n형과 p형에 전자와 홀을 같은 수 만큼 만든다 빛을 크기에 비례 순방향 전압을 걸었을 경우 외부에서 전압을 걸지 않을 경우 --- + ++ EF --- --- ++ + ++ + I -+ 빛에의해발생한전자및홀 n형p형V --- ------ + ++ ++ + ++ + 외부로부터의전압- +  8.pn 접합( 빛) 역방향 전압을 걸었을 경우 --- + ++ EF --- --- ++ + ++ + I -+ 빛에의해발생한전자및홀 정류작용 때의 역방향 전압을 걸었을 때와 같음, 단지 빛에 의해서 발생한 전자 더 용이하게 n형으로 이동 .=>포화전류가 증가 즉 전류는 흐르지만 저항은 더 높아진 결과 더 높은 전압을 얻을 수 있다 즉 역방향 전압을 걸었을 경우 , 같은 강도의 빛에서 전압을 걸지 않았을 때 보다 큰 출력을 얻을 수 있다 . 빛에 대한 감도가 높다 작은 빛의 신호을 검출하는데 쓰일 수 있다 V=IR R이 커지면 전압은 증가 태양전지  8.pn 접합( 발광다이오드) .p-n 접합에 정방향으로 전압을 걸 경우 , 전류가 흐르게 된다 . .이때 전도대에는 많은 전자들이 존재 . .이러한 전자들이 다시 가전자대로 떨어지면 홀과 결합하게 되는데 .이때 에너지가 빛으로 방출하게 된다 . .Si ; 적외선 .GaAsP, GaP ; 가시광선(1.5-1.8V 에서 적색 발광 ) .불순물의 양의 조절 함으로써 녹색 또는 황색 발광 .장점 ; 수명이 길다 .이러한 것을 조합해서 디스플레이 장치로 사용  8.pn 접합( 주입효과와 유출효과 ) 주입효과 반도체안에 소수 전하운반체 (carrier) 을 다량 주입하고 싶을 때 사용 p-n 접합에서, 순방향전압을 걸었을 경우 , 전자는 p형으로 홀은 n형으로 이동하게 되는데 이것을 주입효과라고 한다 . pnp형에서 p형 홀을 다량으로 넣고 싶을 때 사용 유출효과 p-n 접합에서 역전압을 걸었을 경우 , 소수전하 운반체 (주입효과에 의해 생긴 소수전하 운반체 )는 아주 빨리 그리고 용이하게 반대편으로 이동 . 이것을 유출효과라 함 P형은 n형이 있는 홀을 빨아 들리는 역할을 한다 . 자기 다이오드 , 감압 다이오드 등이 있다 . 원자력에 반응하는 반도체 =>원자력 전지 또는 방사능을 검출기로 사용  9.Transistor(3 극관) (a) pnp 형 (b) npn 형 p n p - - - + + + + + + n np - - - - - - + + + base base emitter collector emitter collector emitter pn 접합 collector pn 접합  p형-p형- 9.Transistor(3 극관) Emitter의 움직임 p형---- F p n - - - + + + + + + + + + V n형++ + + base emitter 전위장벽이 낮아서 전자 및 홀이 용이하게 이동 Emitter의 비저항을 작게 함 (불순물을 많이 첨가 ) 정방향 바이어스 F V 홀:전자=99:1 가정 1A을 emitter 에 흘렸을 때 홀이 우측으로 99%, 전자가 좌측으로 n형++ + + ++ + + ++ + + 1%(전류를 우측으로 ) 주입효율; emitter 으로부터 base 에 들어오는 캐리어가 emitter 전류를 몇 %운반하는가  9.Transistor(3 극관) collector 의 움직임 pn - - - + + + collector base 역방향바이어스+ n형p형---- ++ + + V + 다수캐리어는움직이지못한다소수캐리어인홀이p형에존재하면더욱용이하게p형으로들러간다. 홀이하나들어가면우측홀이밖으로나가전류가흐른다 F  9.Transistor(3 극관) p n - - - + + + + + + + + + + + + p E B C 47cm2/sX104cm-1=4700m/s 1mm Emitter 의 홀은 확산에 의해 base로 이동 확산의 속도 = 확산정수X농도구배 캐리어의 확산 정수 Dp(cm2/s) 전자 홀 Ge 100 47 Si 58 19 홀이 base 로 이동해서 전자와 결합하여 없어진다. 홀이 살아 있는 시간을 life time(tP) 양질의 결정은 1ms, 안 좋은 결정 1.s 홀이 다 죽어 버리면 아무 역할도 못함 홀의 확산 거리 LP = Life time=1ms 라면 Emitter의 홀과 base 의 전자의 비는 일반적으로 1000-10000;1 정도  홀의 수 9.Transistor(3 극관) emitter base Base 의 두께를 얇게 하는 것이 관건 일반적인 경우에는 10-20.m 확산; 모래를 붙는 것을 그림 Collector 의 역활 Base 안의 전류는 어떻게 흐르는가 보통의 pn접합의 경우 다수 캐리어에 의해 전류가 흐른다 Base 안에는 소수 캐리어인 홀의 확산에 의해 전류가 흐름 . 확산전류(IP)=-전하X확산정수X농도구배 =-q . DP . -P/W E CB P W  9.Transistor(3 극관) 전류의 흐름 EB C p n p 100 95 5 90 10 90 + 90 - 10 전자 및 홀의 흐름 EB C p n p 100 95 5 90 10 90 + 90 - 10  9.Transistor(3 극관) 입력전파 증폭기 증폭기 : 전원을 사용하여 입력신호를 증폭시킴 전원의 에너지의 형태를 바꾸는 장치 전력(P)=전압(V) X 전류(I) 전력증폭도(GP)= 전압증폭도(GV) X 전류증폭도(GI) 접지 입력 출력 emitter base collector base emitter collector collector base emitter 접지 GV GI GP emitter O O O base O X O collector X O O  + - IB :0.1A E C B IE :1A - + - IB :0.1A E C B IE :1A - 9.Transistor(3 극관) Emitter접지의 경우 (pnp 형) E와 B간에 순방향 B와 C간에 역방향 IC :0.9A 출력 1 9C B0.1A 1A0.9A C B 입력 E V1 E V1 + 전 10 류 Emitter접지의 경우 (npn 형) 접지 B0.1A 1A0.9A C VB가 제로이면 전류가 흐리지 않음 VB에 0.1A 을 흐리게 하면 E 일반적으로 10-200 배 전류 증폭이 가능  9.Transistor(3 극관) Emitter접지의 경우 (pnp 형) :1A :0.9A IE IC RL - V2=10V V1 + + -IB:0.1A E C B 접지