교수님 항상 좋은 강의 감사합니다. 질문이 몇가지 있습니다. 1. 14:11에서 말하신 밴드가 기울어진 기울기와 전기장의 부호가 같다고 하셨는데 왜인가요... 이해가 안 갑니다. 2. 22:00에 나오는 그래프에서 저는 n타입에는 전자가 많으니 전하의 부호가 -가 되어 그래프가 -y축 쪽으로 그려지고 p타입에는 홀이 많으니 전하의 부호가 +가 되어 그래프가 +y축 쪽으로 그려진다고 생각했습니다. 제 사고에서 어디가 잘못 됐나요....?
안녕하십니까? 훌륭한 강의 잘 듣고 있습니다. 열평형상태에서의 PN diode의 동작에 궁금한 사항이 있어 질문드립니다. 열평형 상태에서는 space charge에 의해 형성된 E-field로 인한 built-in potential 때문에 더 이상의 majority carrier들에 의한 확산 전류는 없다고 설명하셨는데, (일단 전자쪽만 생각한다면) n형반도체의 conduction band에 있는 자유전자(majority carrier)들 중 이 built-in potential 보다 높은 에너지를 갖는 전자는 이 barrier를 넘어 계속 diffusiond이 가능 할 것 같은데, 맞는지요? 만약 맞다면 이렇게 n영역에서 p영역으로 확산에 의해 넘어간 전자는 built-in potential에 끌려 drift 전류로 다시 n영역으로 되돌아 와야 될 것 같습니다. 그런데 이때, p영역에서 열적으로 생성된 minority carrier인 전자도 이 built-in potential에 이끌려 n 영역으로 drift 전류로 들어오게되면, drift 전류는 확산에 의해 p영역으로 들어왔다가 E-field에 의해 되돌아오는 전자와 열적으로 생성된 소수 캐리어 전자, 이렇게 2가지 성분으로 구성되게 되므로 J(diff) < J(drift)가 되어 열평형 상태가 되지 않을 것 같은데, 지금까지 말씀드린 내용에 있어, 제가 잘 못 생각하고 있는 부분은 무엇인지 교수님의 고견을 듣고 싶습니다.
질문에 대해 한참 고민해보았는데, 정답인지는 확실치 않으나 제 생각을 말씀 드립니다. 우선 열적평형상태에서는 전류의 흐름은 없습니다. 만약 전류가 흐를 수 있다면 그것은 PN diode 가 배터리와 같이 에너지공급원이 될 수 있다는 것인데 말이 안되겠죠. 1) "n형반도체의 conduction band에 있는 전자들 중 이 built-in potential 보다 높은 에너지를 갖는 전자는 이 barrier를 넘어 계속 diffusion이 가능 할 것 같은데" --> 일단, Fermi-Dirac function 을 보면 Ec 레벨보다 큰 에너지를 갖는 전자가 존재할 확률은 매우 작습니다. 거의 0 에 수렴합니다. 따라서 built-potential 보다 큰 에너지를 가지는 전자가 존재할 확률이 거의 0 에 가까울 것입니다. 혹은 그러한 전자가 존재 하더라도, diffusion 해서 p영역으로 이동하려는 속도 보다는, 에너지를 잃고 낮은 에너지 상태로 돌아가려는 속도가 더 빠를 것으로 추측합니다. 따라서 이러한 고에너지 전자에 의한 확산 전류는 0 이라고 생각하는게 맞을 것 같습니다. 2) "p영역에서 열적으로 생성된 minority carrier인 전자도 이 built-in potential에 이끌려 n 영역으로 drift 전류로 들어오게되면" --> 열적으로 p영역에서 전자가 생성될 수는 있습니다. 다만 이러한 excess carrier 는 열적평형상태에서 lifetime 이내에 빠르게 다시 recombination 되서 사라집니다. 따라서 이러한 전자들도 drift 전류 형성에는 기여할 수 없을 것으로 추측합니다.
@@DevicePhysics 우선 상세한 답변 감사드립니다. 그런데, 동영상 내용 중 (18:35~) " 확산의 방향은 오른쪽이지만 built-in field에 의한 drift는 왼쪽 방향으로 진행되므로 정확하게 상쇄가 되어 전자가 더 이상 확산해 나갈 수 없다"고 설명해 주셨는데요... 상기 답변해 주신 내용과 같이 ①고 에너지 전자에 의해 확산되었던 전자의 회귀(return)에 의한 drift도 않되고, ②열적으로 생성된 소수 캐리어인 전자에 의한 drift 또한 불가하다면 동영상 중 언급하신 "drift"는 어떤 의미인가요? 제 생각에는 "정확히 상쇄된다"는 말의 의미가, 각각의 전류는 흐르되(J(diff)≠0, J(drift)≠0), 순전류(net current, J(diff)+J(drift))가 0이 된다는 의미가 아닐까 싶은데요....즉, 열평형 상태에서는 "전류의 흐름이 없는 것이아니라 순전류가 없다"의 의미로 해석 할 수 있지 않나 싶네요..교수님의 고견 부탁드립니다. 그리고 결례인 줄 압니다만, 정말 기본적인 내용 하나만 추가 질문 드립니다. P, N형 번도체를 접합시키면 각각의 majority carrier들이 농도의 차이로 확산되고 접합 근처에서 이들이 재결합하여 캐리어는 사라지고 양, 음이온에 의한 depletion region이 생성된 다는 기본적인 내용에 있어, n형의 majority carrier인 전자는 접합을 넘어 p형 반도체의 정공과 재결합하게 되는데, 즉, n형 반도체 접합부에서는 중성 원자에서 전자를 잃었으므로 (+) 전하인 donor ion이 남게되고, p형 반도체 접합부에는 n형 반도체로 부터 확산되어 넘어온 전자를 중성 원자가 capture(정공 자리에 전자가 채워짐)하였으므로 (-) 전하를 띈 acceptor ion이 남아, 이 하나의 process(n형 반도체의 majority carrier인 전자의 거동)만으로도 space charge가 형성될 수 있다고 볼수 있을 것 같은데요... 그렇다면 p→n형 반도체로의 "정공의 확산"은 이러한 depletion layer의 생성 과정에 어떤 역할을 한다고 보면 될까요? 번거로우 시겠지만, 답변 부탁드립니다.
@@franciscosuh4286 동영상에서 설명할 때는 n영역에서 Ec레벨 근처에 있는 전자들(농도가 높은)을 이야기 한 것입니다. Ec레벨 근처에는 전자가 많기 때문에 확산 하려는 힘이 발생하지만(Jdiff≠0), built-in E-filed 가 이를 상쇄하기 때문에(Jdrift≠0), 결과적으로 보면 전자가 움직이지 못하게 됩니다 (net current=0). 즉, 전자가 확산하였다가 다시 돌아오는 것이 아니라, 전자는 힘의 균형 때문에 움직이지 않게 됩니다. 앞에서 질문하였던 경우는 고에너지 전자(built-in potential 보다 더 큰 에너지를 가지는)입니다. 이 경우는 (제 추측입니다만), 일단 고에너지를 가지는 전자 자체가 존재할 확률이 거의 없고, 농도가 매우 낮기 때문에 애당초 확산하려는 힘은 거의 없을 것으로 추측됩니다(Jdiff=0).
@@DevicePhysics 빠른 회신 정말 감사드립니다. 그런데, Jdrift≠0면 drift 전류가 존재한다는 말씀하신데, 그럼 이 drift 전류는 어디서, 어떻게 만들어진 전자에 의한 것인가요? 그리고 결례인 줄 압니다만, 정말 기본적인 내용 하나만 추가 질문 드립니다. P, N형 번도체를 접합시키면 각각의 majority carrier들이 농도의 차이로 확산되고 접합 근처에서 이들이 재결합하여 캐리어는 사라지고 양, 음이온에 의한 depletion region이 생성된 다는 기본적인 내용에 있어, n형의 majority carrier인 전자는 접합을 넘어 p형 반도체의 정공과 재결합하게 되는데, 즉, n형 반도체 접합부에서는 중성 원자에서 전자를 잃었으므로 (+) 전하인 donor ion이 남게되고, p형 반도체 접합부에는 n형 반도체로 부터 확산되어 넘어온 전자를 중성 원자가 capture(정공 자리에 전자가 채워짐)하였으므로 (-) 전하를 띈 acceptor ion이 남아, 이 하나의 process(n형 반도체의 majority carrier인 전자의 거동)만으로도 space charge가 형성될 수 있다고 볼수 있을 것 같은데요... 그렇다면 p→n형 반도체로의 "정공의 확산"은 이러한 depletion layer의 생성 과정에 어떤 역할을 한다고 보면 될까요? 번거로우 시겠지만, 답변 부탁드립니다.
@@franciscosuh4286 제 설명에서 Jdrift≠0 이라고 한것은 drift 전류가 존재한다는 뜻이 아닙니다. Jdrift=q*n*v=q*n*mobility*E 이고, 이 식에서 모든 항이 0 이 아니기 때문에 Jdrift 값 자체가 0 이 아니란 뜻입니다. 다만 Jdrift = Jdiff 으로 서로 상쇄되기 때문에 전자는 움직이지 않습니다. 따라서 drift, diffusion 전류 모두 발생하지 않습니다. 두번째 질문은 확산되는 캐리어의 양을 생각하면 이해할 수 있을 것 같습니다. n형 반도체에서 전자가 p형 반도체로 확산되어 갈때, 확산은 농도의 기울기를 맞추는 과정입니다. 그러므로 n형 반도체에 있는 '모든' 전자가 p형 반도체 쪽으로 넘어가는 것은 아닙니다. 농도 차이가 없어질 때 까지만 확산이 발생합니다. 따라서 n형-->p형 으로의 전자 확산 때문에 n형 반도체 쪽에 depletion region 이 생성될 수는 없습니다. p형-->n형 으로의 홀 확산이 발생해서 전자를 추가적으로 제거해주어야 n 형 반도체 쪽에 depletion region 이 형성될 수 있습니다.
항상 좋은 강의 감사드립니다 n타입 기준으로 15족 원자의 전자가 빠져나간 후 (+) fixed charge가 된다고 하셨는데 15족 원자가 가지는 에너지 준위가 있을 텐데 hole처럼 거동하지 못하는 이유가 궁금합니다. si의 자유전자가 15족 원소와 결합하면서 si 격자 빈자리에 hole을 생성하며 전류를 만드는 현상은 일어나지 않는건가요? 에너지 밴드 기준으로는 도너 원자의 에너지 준위에서 전자가 실리콘의 conduction band로 이동을 했을 때 도너 원자의 에너지 준위에서 hole이 생겨서 도너 원자의 에너지 준위에서 hole이 자유롭게 이동하는 현상이 일어나는지 궁금합니다.
@@DevicePhysics 네 교수님 n타입 실리콘의 donor에서 전자가 빠져나가게 되면 donor에 hole이 생긴다고 생각하면 안되는건지 궁금합니다 실리콘에서 열에 의해 결합을 이루던 전자가 빠져나가면 전자와 hole이 생성되는것 처럼요. donor원자도 에너지 준위가 있기 때문에 전자가 빠져나가서 비게 되면 다른 자유전자가 채워질 수 있을것 같은데 그렇지 않고 fixed charge로 존재하는 이유가 궁금합니다. 답변 감사드립니다
좋은 강의 감사합니다 선생님. 열심히 공부하는 도중에 한가지 질문이 생겨 댓글을 남겨봅니다. 18분 30초 부분에서 설명하신 부분을 확산에 의한 전자의 이동을 E-field에 의한 drift가 상쇄시켜 확산이 더 이상 이루어지지 않는다고 말씀하셨는데 drift가 전계에 의한 전하의 움직임이니깐 결국 확산하는 전자와 E-field의 전자의 이동이 서로를 상쇄시킨다고 해석하면 될까요??
안녕하세요. 강의 잘 듣고 있습니다. pn접합을 하게 되면 각 영역의 다수 캐리어의 확산과 재결합에 의해 중심 영역에 공핍층이 생기게 되고, 공핍층에 남은 fixed charge에 의한 내부 전기장이 다수캐리어가 더 이상 확산하는 것을 막아서 공핍층에는 어떠한 캐리어가 있을 수 없다는 것은 알겠습니다. 사실 공핍층에도 캐리어가 존재하지만 우리가 수식적인 편리함을 위해 공핍층에서는 생성없이 재결합만 일어나며, 캐리어가 존재하지 않는다고 가정하는 것도 이해했습니다. 여기서 이해가 잘 안가는 게 있는데 그러면 공핍층에 유도되는 전기장이 양쪽의 소수캐리어의 확산까지 못 막잖아요? 공핍층에 존재하는 캐리어가 양쪽의 소수캐리어 농도와 같은 것인가요?
1. depletion region 에는 어떠한 캐리어도 없는 것으로 가정합니다. 2. 소수캐리어가 depletion region 안으로 들어오면, built-in E-field 때문에 반대편으로 빠르게 드리프트해서 이동하게 됩니다. 3. 자세한 소수캐리어의 분포 및 이동과정은 다음챕터에서 배우게 됩니다.
안녕하세요 교수님, 강의 잘 보고 있습니다. 여쭤보고 싶은 부분이 있어 댓글 남깁니다. 도핑된 반도체의 경우 다른 물질과 접합이 되었을 때 charge를 주고받으며 Fermi level이 얼라인 되고, 이 charge의 근원이 dopant이기 때문에 -qNA 또는 +qND 만큼의 fixed charge를 남기고 이 charge가 potential의 공간적 변화를 만들어 내는 것으로 이해를 하였습니다. 하지만, intrinsic 반도체의 경우에는 이 depletion region이 어떻게 되는지를 여쭤보고 싶습니다. 제 생각에는, intrinsic 반도체라고 하더라도 결국 charge를 주고 받으며 fermi level이 align 되는 과정은 필요하기 때문에 이 과정에서 band bending또한 따라오게 될 것 같습니다. 이 때 주고받는 charge의 근원이 도펀트는 아니게 될 것인데, 이 charge의 근원은 무엇이며 이 때 potential의 공간적 변화는 어떻게 기술할 수 있을지가 궁금합니다. 감사합니다.
질문하는 상황이 조금 더 구체적이어야 답변할 수 있을 것 같은데, 1. intrinsic 반도체에도 ni 만큼의 carrier 가 있습니다. 접합을 형성할 때, ni 가 이동하게 됩니다. 2. intrinsic 반도체에는 도핑이 되어 있지 않기 때문에, pn 접합과 같은 depletion region 이 생성되지는 않습니다. 따라서 intrinsic 반도체 전체의 밴드가 휘어지게 됩니다 (pn 접합에서는 depletion region 의 밴드만 휘어집니다)
@@DevicePhysics 답변해주셔서 감사합니다. 질문드리고자 하는 상황을 보다 구체적으로 말씀드리자면, 1. M-S 접합 2. S쪽이 intrinsic semiconductor 3. 반도체의 electron affinity + (EC-EF) < metal work function (에너지 밴드 다이어그램 상 반도체의 밴드가 더 윗쪽에 존재하는 상황) 위와 같은 상황에서 반도체에서 메탈 쪽으로 전자가 넘어가며 평형상태가 될 것인데 1) 이 때 메탈로 넘어가는 전자의 근원(doped semiconductor의 경우 dopant) 2) 이로 인한 반도체쪽 band bending의 정도(퍼텐셜의 공간적 분포) 위 두가지를 여쭤보고 싶습니다. 답변해주신 내용에 대해 추가로 질문드리자면, ni가 이동하고 depletion region이 형성되지 않으며 band bending은 반도체 전체에서 일어날 것이라고 말씀해주셨는데 1. 반도체의 두께가 충분히 두꺼운 경우에도 x -> ∞(반도체가 오른쪽에 있는 경우)까지 밴드 벤딩이 일어나는 것일지 궁금합니다. 결국 charge에 의해 potential이 screening 될 것이라는 느낌을 갖고 있어서요.. 2. depletion region의 형성 없이 밴드만 휘는 경우에는, 그렇다면 위 상황에서는 계면쪽으로 갈수록 hole이 많아지고(p>ni, n
@@Ranndjdjdkekwlwasdd 전체적으로는 이전에 한 답변과 동일합니다. 1. metal 로 넘어가는 전자는 ni 입니다. 2. intrinsic 반도체는 depletion region 이 형성되지 않기 때문에 전체구간의 밴드가 균일하게 (linear 하게) 휘어집니다. "charge 에 의해 potential 이 screening" 된다는 말은 무슨 뜻인지 모르겠습니다. 3. 계면쪽으로 갈수록 ni 의 일부분이 금속쪽으로 건너갔기 때문에 상대적으로 홀들이 많은 영역이 되는 것이 맞습니다.
@@DevicePhysics 답변해주셔서 감사합니다. 2. EFM-EFS에 의한 퍼텐셜 차이에 대응되는 전하가 필요하다는 의미로 말씀드렸습니다. 3. 그러면, 이 계면에 모인 hole이 메탈쪽으로 넘어가는 일은 없을지 여쭤보고 싶습니다. MOSCAP처럼 인슐레이터 등으로 막힌 상황이 아니고, 전기장도 홀이 메탈쪽에 넘어가는 방향으로 형성이 될 것 같은데 도펀트처럼 공간적으로 고정된 전하가 아닌 홀은 충분히 넘어갈 수 있지 않을까 싶습니다. 그러면, 이 상황에서는 계면쪽에 생긴 excess hole이 메탈로 넘어가면서도 generation 등에 의해 그 양은 유지가 되는 동적 평형상태로 이해하면 될지 여쭤보고 싶습니다. 자세히 답변해주셔서 다시 한번 감사드립니다.
@@Ranndjdjdkekwlwasdd1. 앞에서 답변했듯이 intrinsic 반도체 전체가 밴드가 휘어집니다. 즉, intrinsic 반도체 전체적으로 charge 의 불균형이 발생합니다. 따라서 Efm-Efs 에의한 퍼텐셜 차이는, 이 전하불균형이 대응하는 것입니다. 2. 뒤에 MS접합 강의에서 설명했는데, 금속은 전자와 홀이 모두 많은 물질로 간주해야 합니다. 따라서 전기장에 의해 반도체-->금속 으로 이동하려는 홀들은 금속-->반도체로 확산하려는 힘에 의해 상쇄될 것입니다. 물론 실제 상황에서는 질문한것처럼 thermal generation 이나 다른 효과들도 전부 포함되어 평형상태를 형성할 것입니다.
교수님 np접합이 아닌 pn접합 시 p형, n형 도핑농도가 만약 Na=2 Nd=1 이라면, 농도차이로 인해 p형에서 n형으로 hole이 넘어가고 n형에서 p형으로 전자가 넘어감에 따라 공핍영역이 형성되어서 원래 농도 Na와 Nd보다 작아진다고 생각했는데... 원래의 도핑농도가 2:1로 유지된다는 것은 농도차이로 넘어간 hole과 전자가 기존의 도핑농도(Na=2 Nd=1) 보다 아주 적은 양으로 보기 때문인것인가요?
@@DevicePhysics 질문을 다시 정리해서 여쭤봅니다. 23:25 에서 둘을 접합했을 n에서 p로 전자가 넘어가고 p에서 n으로 hole이 넘어감에 따라 기존의 n형반도체의 ND의 농도와 P형 반도체의 NA농도가 기존보다 실제로 낮아지는 것 까지 이해했습니다. 그런데 실제로 넘어간 전자와 hole에 의해 농도가 낮아지더라도 그 넘어간 전자 hole의 각각의 양이 기존의n형, p형 도핑 농도인 ND와 NA보다 현저히 적은 양이기 생각하기 때문에 도핑농도가 그대로 그래프상에서 직선으로 나타나는 것이 맞는건가요? 그리고 그것이 depletion approximation이맞나요?
@@DevicePhysics 교수님 N형의 ND와 P형의 NA의 도핑농도가 공간전하영역에서 바로 0로 되는 것이 아니라 사실은 스무스하게 줄어드는데 수식적으로 계산하기 쉽게 바로 0이 된다고 가정하는것이 depletion approximation 이라고 설명해주셨는데..... 이것과 별개로 n에서 p로 p에서 n으로 전자 정공이 농도차이에 의해 넘어감에 따라 기존에 n형 p형의 도핑농도가 줄어드나요? 그 줄어드는 정도가 기존의 도핑농도에 비해서 현저히 작나요? 답답한 마음에 여러번 질문드려봅니다 ㅠㅠ
질문 자체가 이상합니다. 접합을 형성하면 도핑농도가 변하는것이 아니라, 접합 근처에서 캐리어들이 재결합하면서 사라지기 때문에 depletion region 이 형성되는 것입니다. 다시 말하면 강의에서 설명했듯이 캐리어 농도가 depletion region 에서 0 이 되는 것이지, 도핑농도가 변하는 것이 아닙니다.
@@DevicePhysics 한가지만 더 여쭤보겠습니다!! 열평형 상태에서 접합 시 페르미 레벨이 평형이 되고 도핑농도는 일정하게 유지되어 각각의 간격이 접합전과 같은 것은 알겠습니다. 그러나 접합 전 p형 반도체의 Ec Ev 의 절대값과 n형 반도체의 Ec Ev 절대값은 같을텐데 접합 후 P형 영역의 Ec가 더 높아지는지 궁금합니다! 현재로써는 도핑농도에 의한 간격이 유지되어 에너지밴드 상 더 높게 그리기 때문이라고만 생각이 되는데 다른 이유가 있는지 궁금합니다.
좋은 강의 감사드립니다 질문 하나만 드려도 될까요? 22분정도 슬라이드에 depletion region에는 mobile carriers가 남아있지 않다고 설명하셨는데 저는 pn 각 기판에 minority carriers는 남아있을것이라 생각하는데 majority carriers에 비해 수가 매우 적어서 무시하고 없다고 가정하는 것인지 궁금합니다
안녕하세요, 교수님 1) ion implantation 과정에서 도너를 양이온으로 이온화 시키고 wafer에 beam으로 주입 시키는 걸로 알고 있습니다. 그렇다면 양이온으로 이온화된 도너에는 전자가 부족할텐데 어떻게 wafer가 자유전자가 많은 n형 반도체가 될 수 있는 것인가요? 2) 굳이 이온화된 원자를 빔으로 쏴주는 이유가 뭔지도 궁금합니다. 이온화되지 않은 최외각 전자가 5개인 원자를 쏴서 주입하면 안되는 것인가요? 감사합니다.
아닙니다. thermal equilibrium 상태에 도달하기 까지 캐리어가 이동하는 시간이 존재하지만, 이 시간 동안 전류가 흐른다고 이해하는 것은 옳지 않습니다. 만약 전류가 흐른다면, p-type Si 와 n-type Si 을 붙였다가 떼기를 반복하면 전류(에너지)를 생성할 수 있다는 뜻이 됩니다. 실제로는 강의에서 설명한것처럼 p-type 웨이퍼에 donor 를 주입하여 pn접합을 형성합니다. donor 를 주입 후 열처리과정을 거치게 되는데, 이 열처리과정 중에 강의에서 설명한 과정이 진행됩니다. 즉 분리된 p-type Si 과 n-type 을 딱 붙이는 순간 이란 것이 존재하지 않습니다.
교수님 항상 강의 잘 듣고 있습니다. 혼자 공부하서 궁금한 점이 생겨서 질문드립니다. p형 기판에 도너를 주입하고 있는 pn junction에서는 공정상황을 고려할때 최종으로 만들어진 n형 반도체 내의 전자의 농도를 Nd-Na로 나타낸다고 했는데 이런 이유가 도너이온을 주입해서 생긴 자유전자들이 기존에 있던 정공들과 재결합하기 때문인걸로 이해해도 될까요?
안녕하세요 교수님. 16분 그림에서 junction을 이루기 이전에 n-type과 p-type 반도체는 열적 평형 상태에서 neutral한 상태를 이루고 있는데요.. 그런데 n-type의 경우 전자들이 majority carrier로 존재하고 donor들이 존재하고 있는데 그렇다면 여기서 donor들은 이온 상태로 +전하를 띄고 있는 상태인 것인가요? 그리고 마찬가지로, p-type의 경우 홀들이 majority carrier로 존재하고 acceptor들이 존재하고 있는데 여기서 acceptor들은 이온 상태로 -전하를 띄고 있는 상태인 것인지 궁금합니다ㅠ
18:24 ~ 18:37 부분의 설명이 이해가 어렵습니다. pn junction할 때 n-type의 (+) fixed charge와 p-type의 (-) fixed charge에 의해 (+)에서(-)로 흐르는 electric-field가 형성되고 전자들이 확산할 때도 전자의 농도가 높은 왼쪽에서 오른쪽으로 확산하는 것까지 이해했습니다. 그리고 열적평형상태이기 때문에 전자들이 확산하는 방향에 반대하여 Ebi가 오른쪽에서 왼쪽으로 생성되는대 그렇다면 Ebi는 fixed charge와 상관없이(전기장과 상관없이) 단순히 전자들이 diffuse하는 것을 막기 위해 생성되는 건가요? 전기장이 흐르는 방향과 전자가 확산하는 방향이 서로 같지만 Ebi가 반대방향으로 생성되면서 전자의 이동을 막는다고 이해하고 있는데 뭔가 제가 기초적인 부분을 잘못 이해하고 있는 것 같아서 댓글 남깁니다.
@@DevicePhysics 농도의 차이 때문에 전기장 생성, 전자와 홀의 확산도 나타나고 Ebi는 fixed charge 때문에 나타나는건가요? 이전 물리전자공학 개념에서는 열적평형상태에서 Jtotal이 0이어야 하므로 도핑농도 불균형 함으로 인한 diffusion이 형성될 때 이것을 상쇄할 Ebi가 생성된다고 기억하고 있는데 이번 강의에서는 'fixed charge에 의해 (+)에서(-)로 전기장이 형성되고 Ebi는 (-)에서(+)로 흘러 전자확산을 막는다' 이렇게 설명하신 부분이 헷갈립니다ㅠ Electric-field와 Ebi는 생성방법이 각각 다른, 따로 이해해야하는 개념인지 궁금합니다
@@피셔맨-j9g 뭔가 잘못 이해한것 같은데, 강의에서도 설명했듯이, 1) 밴드의 기울기가 양수이므로, 전기장은 오른쪽 방향으로 형성됩니다. 그리고 이 전기장이 바로 built-in E-field 입니다. 2) built-in E-field 가 오른쪽 방향이기 때문에, 전자는 왼쪽으로 드리프트 하려 합니다. 3) 다만 전자의 농도는 n-type 쪽이 높기 때문에, 확산은 오른쪽 방향으로 진행하려 합니다. 4) 결국 확산과 드리프트가 반대 방향으로 진행하려 하며, 이 둘이 정확히 균형을 맞추기 때문에, 결과적으로는 전자가 움직이지 못해 전류가 흐르지 않습니다.
![[Basic Semiconductor Device|1.2] pn junction : #built-in potential #zero voltage #one-side junction](http://i.ytimg.com/vi/QTHZdOsQqkY/mqdefault.jpg)
![[Basic Semiconductor Device|1.2] pn junction : #built-in potential #zero voltage #one-side junction](/img/tr.png)
![[Basic Semiconductor Device|1.4] pn junction : #forward bias #reverse bias](http://i.ytimg.com/vi/Z6U8maV8THE/mqdefault.jpg)
![[Basic Semiconductor Device|1.3] pn junction : #built-in potential #zero voltage #depletion width](/img/1.gif)
대학원 입학하고 복습용으로 듣고 있는데 감동적으로 이해가 잘됩니다 감사합니다 교수님
감사합니다. 방학때 듣고 학기중에도 한번 더 듣고있습니다.
감동입니다 너무 설명이 좋아서
열심히 공부하고 있습니다. 감사합니다. 사랑합니다. 아직 이해하려고 애쓰는 중이라 질문드릴 것이 없지만 계속 강의 열심히 보고 있어요! :) 추석 연휴도 끝나버렸고 곧 있으면 10월 돼서 중간고사인데 열공하겠습니다.
감사합니다!! 교수님 너무 이해 잘 되게 설명해주셔서 너무 감사해요
감사합니다..행님 번번히 도움 많이 받습니다.
교수님 잘생겼어요
와 진짜 제일 좋은 수업입니다.
좋은 영상 감사합니다!
좋은 강의 감사합니다. 6:30 경에 ~~에 따라서 (p가) 10^4 cm^(-3) 정도로 생성된다 하셨는데, ~~가 뭔지 알 수 있을까요? excess라는 말은 들리는 것 같습니다.
mass action law 입니다. [물리전자공학]에서 이미 배운 내용이니 먼저 숙지하길 바랍니다.
@@DevicePhysics 혹시 물리전자강의 몇챕터에 나오는지 말씀해주실 수 있나요?
교수님 항상 좋은 강의 감사합니다. 질문이 몇가지 있습니다. 1. 14:11에서 말하신 밴드가 기울어진 기울기와 전기장의 부호가 같다고 하셨는데 왜인가요... 이해가 안 갑니다. 2. 22:00에 나오는 그래프에서 저는 n타입에는 전자가 많으니 전하의 부호가 -가 되어 그래프가 -y축 쪽으로 그려지고 p타입에는 홀이 많으니 전하의 부호가 +가 되어 그래프가 +y축 쪽으로 그려진다고 생각했습니다. 제 사고에서 어디가 잘못 됐나요....?
[물리전자공학]에서 에너지밴드 다이어그램이 무엇인지, fixed charge 가 무엇인지 복습 먼저 해보길 바랍니다.
질문이있습니다 21:46 에서 non neutral 영역에서의 전하를 q×Nd ,q×Na 라고 하셨는데 이말은 도핑으로 만들어진 모든 elctron과 hole들이 반대편으로 넘어간다는 말인데 어떻게 그럴수있는지 궁금합니다
다 넘어가면 안된다고 생각하는 근거는 무엇인가요?
교수님, 22:11 에서 p가 Acceptor 이온 넣어준 만큼의 농도라고 하셨는데 그래프에서 왜 음수로 나와있는지 궁금합니다. 농도를 나타내는 건데 p가 Acceptor 만큼 위로 양수 범위로 나타나야 하는 것 아닌가요?
양수가 맞습니다. 제가 자료를 실수한 것입니다.
@@DevicePhysics 답변 감사합니다!
강의 잘 듣고 있습니다!
5:00 에서 물리전자공학에서 배운 개념이라고 하셨는데 혹시 정확하게 어떤 챕터인지 알 수 있을까요?
챕터4 입니다.
25:11
교수님 안녕하세요 궁금한 것이 생겨서 질문올립니다.
pn 접합을 처음할때는 diffusion 이 일어나다가 열평형 상태에 돌입하게 되면 그때부터는 형성된 built in Efield로 인해 더 이상 diffusion이 일어나지 않는다고 생각해도 될까요?
이미 강의에서 설명했고, 강의자료에도 적혀 있습니다.
아니 외모가 누가봐도 20대인데 교수님...? 혼란스럽네
안녕하세요 교수님. 21:20부분에서 Nd곱하기 q만큼이라 하셨는데 왜인가요? 도핑해준 모든 도너가 다 이온화되는게 아니라 중간에 막혀서 더이상 서로 못넘어간다하신걸로 기억해서요
캐리어와 dopant 가 만드는 fixed charge 를 혼동하고 있습니다. [물리전자공학]에서 도핑 관련된 부분을 복습해보길 바랍니다.
@@DevicePhysics 감사합니다. 좀 생각해보고 질문드리겠습니다.
안녕하세요 교수님 좋은 강의 감사드립니다. 저는 한양대학교 학생이고 교수님 강의 덕분에 전공에서 좋은 학점을 받았습니다. 이번에 sk 하이닉스 면접을 보러가게 되어 강의를 복습중인데 혹시 강의 자료 메일로 받을 수 있는지 여쭤보고자 댓글 남깁니다. 감사합니다
강의자료는 수강생들에게만 제공하고 있습니다.
교수님 좋은 강의 감사드리며 질문이 있습니다.
InGaAs(n형)와 InP(p형) 간의 Heterojuction PN접합에서도 위의 built in potential barrier과 depletion width를 구하는 수식을 동일하게 적용이 가능한가요?
아닙니다.
안녕하십니까? 훌륭한 강의 잘 듣고 있습니다. 열평형상태에서의 PN diode의 동작에 궁금한 사항이 있어 질문드립니다. 열평형 상태에서는 space charge에 의해 형성된 E-field로 인한 built-in potential 때문에 더 이상의 majority carrier들에 의한 확산 전류는 없다고 설명하셨는데, (일단 전자쪽만 생각한다면) n형반도체의 conduction band에 있는 자유전자(majority carrier)들 중 이 built-in potential 보다 높은 에너지를 갖는 전자는 이 barrier를 넘어 계속 diffusiond이 가능 할 것 같은데, 맞는지요? 만약 맞다면 이렇게 n영역에서 p영역으로 확산에 의해 넘어간 전자는 built-in potential에 끌려 drift 전류로 다시 n영역으로 되돌아 와야 될 것 같습니다. 그런데 이때, p영역에서 열적으로 생성된 minority carrier인 전자도 이 built-in potential에 이끌려 n 영역으로 drift 전류로 들어오게되면, drift 전류는 확산에 의해 p영역으로 들어왔다가 E-field에 의해 되돌아오는 전자와 열적으로 생성된 소수 캐리어 전자, 이렇게 2가지 성분으로 구성되게 되므로 J(diff) < J(drift)가 되어 열평형 상태가 되지 않을 것 같은데, 지금까지 말씀드린 내용에 있어, 제가 잘 못 생각하고 있는 부분은 무엇인지 교수님의 고견을 듣고 싶습니다.
질문에 대해 한참 고민해보았는데, 정답인지는 확실치 않으나 제 생각을 말씀 드립니다.
우선 열적평형상태에서는 전류의 흐름은 없습니다. 만약 전류가 흐를 수 있다면 그것은 PN diode 가 배터리와 같이 에너지공급원이 될 수 있다는 것인데 말이 안되겠죠.
1) "n형반도체의 conduction band에 있는 전자들 중 이 built-in potential 보다 높은 에너지를 갖는 전자는 이 barrier를 넘어 계속 diffusion이 가능 할 것 같은데"
--> 일단, Fermi-Dirac function 을 보면 Ec 레벨보다 큰 에너지를 갖는 전자가 존재할 확률은 매우 작습니다. 거의 0 에 수렴합니다. 따라서 built-potential 보다 큰 에너지를 가지는 전자가 존재할 확률이 거의 0 에 가까울 것입니다. 혹은 그러한 전자가 존재 하더라도, diffusion 해서 p영역으로 이동하려는 속도 보다는, 에너지를 잃고 낮은 에너지 상태로 돌아가려는 속도가 더 빠를 것으로 추측합니다. 따라서 이러한 고에너지 전자에 의한 확산 전류는 0 이라고 생각하는게 맞을 것 같습니다.
2) "p영역에서 열적으로 생성된 minority carrier인 전자도 이 built-in potential에 이끌려 n 영역으로 drift 전류로 들어오게되면"
--> 열적으로 p영역에서 전자가 생성될 수는 있습니다. 다만 이러한 excess carrier 는 열적평형상태에서 lifetime 이내에 빠르게 다시 recombination 되서 사라집니다. 따라서 이러한 전자들도 drift 전류 형성에는 기여할 수 없을 것으로 추측합니다.
@@DevicePhysics 우선 상세한 답변 감사드립니다. 그런데, 동영상 내용 중 (18:35~) " 확산의 방향은 오른쪽이지만 built-in field에 의한 drift는 왼쪽 방향으로 진행되므로 정확하게 상쇄가 되어 전자가 더 이상 확산해 나갈 수 없다"고 설명해 주셨는데요... 상기 답변해 주신 내용과 같이 ①고 에너지 전자에 의해 확산되었던 전자의 회귀(return)에 의한 drift도 않되고, ②열적으로 생성된 소수 캐리어인 전자에 의한 drift 또한 불가하다면 동영상 중 언급하신 "drift"는 어떤 의미인가요? 제 생각에는 "정확히 상쇄된다"는 말의 의미가, 각각의 전류는 흐르되(J(diff)≠0, J(drift)≠0), 순전류(net current, J(diff)+J(drift))가 0이 된다는 의미가 아닐까 싶은데요....즉, 열평형 상태에서는 "전류의 흐름이 없는 것이아니라 순전류가 없다"의 의미로 해석 할 수 있지 않나 싶네요..교수님의 고견 부탁드립니다.
그리고 결례인 줄 압니다만, 정말 기본적인 내용 하나만 추가 질문 드립니다. P, N형 번도체를 접합시키면 각각의 majority carrier들이 농도의 차이로 확산되고 접합 근처에서 이들이 재결합하여 캐리어는 사라지고 양, 음이온에 의한 depletion region이 생성된 다는 기본적인 내용에 있어, n형의 majority carrier인 전자는 접합을 넘어 p형 반도체의 정공과 재결합하게 되는데, 즉, n형 반도체 접합부에서는 중성 원자에서 전자를 잃었으므로 (+) 전하인 donor ion이 남게되고, p형 반도체 접합부에는 n형 반도체로 부터 확산되어 넘어온 전자를 중성 원자가 capture(정공 자리에 전자가 채워짐)하였으므로 (-) 전하를 띈 acceptor ion이 남아, 이 하나의 process(n형 반도체의 majority carrier인 전자의 거동)만으로도 space charge가 형성될 수 있다고 볼수 있을 것 같은데요... 그렇다면 p→n형 반도체로의 "정공의 확산"은 이러한 depletion layer의 생성 과정에 어떤 역할을 한다고 보면 될까요? 번거로우 시겠지만, 답변 부탁드립니다.
@@franciscosuh4286 동영상에서 설명할 때는 n영역에서 Ec레벨 근처에 있는 전자들(농도가 높은)을 이야기 한 것입니다. Ec레벨 근처에는 전자가 많기 때문에 확산 하려는 힘이 발생하지만(Jdiff≠0), built-in E-filed 가 이를 상쇄하기 때문에(Jdrift≠0), 결과적으로 보면 전자가 움직이지 못하게 됩니다 (net current=0). 즉, 전자가 확산하였다가 다시 돌아오는 것이 아니라, 전자는 힘의 균형 때문에 움직이지 않게 됩니다.
앞에서 질문하였던 경우는 고에너지 전자(built-in potential 보다 더 큰 에너지를 가지는)입니다. 이 경우는 (제 추측입니다만), 일단 고에너지를 가지는 전자 자체가 존재할 확률이 거의 없고, 농도가 매우 낮기 때문에 애당초 확산하려는 힘은 거의 없을 것으로 추측됩니다(Jdiff=0).
@@DevicePhysics 빠른 회신 정말 감사드립니다. 그런데, Jdrift≠0면 drift 전류가 존재한다는 말씀하신데, 그럼 이 drift 전류는 어디서, 어떻게 만들어진 전자에 의한 것인가요?
그리고 결례인 줄 압니다만, 정말 기본적인 내용 하나만 추가 질문 드립니다. P, N형 번도체를 접합시키면 각각의 majority carrier들이 농도의 차이로 확산되고 접합 근처에서 이들이 재결합하여 캐리어는 사라지고 양, 음이온에 의한 depletion region이 생성된 다는 기본적인 내용에 있어, n형의 majority carrier인 전자는 접합을 넘어 p형 반도체의 정공과 재결합하게 되는데, 즉, n형 반도체 접합부에서는 중성 원자에서 전자를 잃었으므로 (+) 전하인 donor ion이 남게되고, p형 반도체 접합부에는 n형 반도체로 부터 확산되어 넘어온 전자를 중성 원자가 capture(정공 자리에 전자가 채워짐)하였으므로 (-) 전하를 띈 acceptor ion이 남아, 이 하나의 process(n형 반도체의 majority carrier인 전자의 거동)만으로도 space charge가 형성될 수 있다고 볼수 있을 것 같은데요... 그렇다면 p→n형 반도체로의 "정공의 확산"은 이러한 depletion layer의 생성 과정에 어떤 역할을 한다고 보면 될까요? 번거로우 시겠지만, 답변 부탁드립니다.
@@franciscosuh4286 제 설명에서 Jdrift≠0 이라고 한것은 drift 전류가 존재한다는 뜻이 아닙니다. Jdrift=q*n*v=q*n*mobility*E 이고, 이 식에서 모든 항이 0 이 아니기 때문에 Jdrift 값 자체가 0 이 아니란 뜻입니다. 다만 Jdrift = Jdiff 으로 서로 상쇄되기 때문에 전자는 움직이지 않습니다. 따라서 drift, diffusion 전류 모두 발생하지 않습니다.
두번째 질문은 확산되는 캐리어의 양을 생각하면 이해할 수 있을 것 같습니다.
n형 반도체에서 전자가 p형 반도체로 확산되어 갈때, 확산은 농도의 기울기를 맞추는 과정입니다.
그러므로 n형 반도체에 있는 '모든' 전자가 p형 반도체 쪽으로 넘어가는 것은 아닙니다. 농도 차이가 없어질 때 까지만 확산이 발생합니다.
따라서 n형-->p형 으로의 전자 확산 때문에 n형 반도체 쪽에 depletion region 이 생성될 수는 없습니다.
p형-->n형 으로의 홀 확산이 발생해서 전자를 추가적으로 제거해주어야 n 형 반도체 쪽에 depletion region 이 형성될 수 있습니다.
항상 좋은 강의 감사드립니다 n타입 기준으로 15족 원자의 전자가 빠져나간 후 (+) fixed charge가 된다고 하셨는데 15족 원자가 가지는 에너지 준위가 있을 텐데 hole처럼 거동하지 못하는 이유가 궁금합니다. si의 자유전자가 15족 원소와 결합하면서 si 격자 빈자리에 hole을 생성하며 전류를 만드는 현상은 일어나지 않는건가요? 에너지 밴드 기준으로는 도너 원자의 에너지 준위에서 전자가 실리콘의 conduction band로 이동을 했을 때 도너 원자의 에너지 준위에서 hole이 생겨서 도너 원자의 에너지 준위에서 hole이 자유롭게 이동하는 현상이 일어나는지 궁금합니다.
p-n 접합에서 n타입 계면쪽 전자가 p반도체로 빠르게 확산되며 재결합이 일어나기때문에 n형 도너의 (+) charge가 매꿔질 겨를이 없는걸까요? 계면이 아닌 bulk영역이라면 donor의 빈자리로도 자유롭게 전자 이동이 가능한지 궁금합니다 읽어주셔서 감사합니다
질문이 무슨뜻인지 이해가 안됩니다. 홀이 어떻게 생성된다는 것인가요?
@@DevicePhysics 네 교수님 n타입 실리콘의 donor에서 전자가 빠져나가게 되면 donor에 hole이 생긴다고 생각하면 안되는건지 궁금합니다 실리콘에서 열에 의해 결합을 이루던 전자가 빠져나가면 전자와 hole이 생성되는것 처럼요. donor원자도 에너지 준위가 있기 때문에 전자가 빠져나가서 비게 되면 다른 자유전자가 채워질 수 있을것 같은데 그렇지 않고 fixed charge로 존재하는 이유가 궁금합니다. 답변 감사드립니다
donor준위에 다시 전자가 채워지는 일을 없습니다. 활성화에너지가 매우 작아 상온에서도 다 이온화 됩니다. [물리전자공학] 강의를 참고 바랍니다.
@@DevicePhysics 네 늘 감사합니다 교수님
공핍영역에 남은 각각 극성이 다른 소수 캐리어들은 2차적으로 다시 recombination은 왜 일어나지 않는건가요? 띄엄띄엄봐서 모르는건가ㅠ
2차적으로 recombination 된다는것이 정확히 어떤 의미인지 이해가 돠지않습니다. 아무튼 물리전자공학에서 배웠듯이 소수캐리어는 다수캐리어에 비해 매우 적기 때문에 무시 가능합니다.
좋은 강의 감사합니다 선생님. 열심히 공부하는 도중에 한가지 질문이 생겨 댓글을 남겨봅니다.
18분 30초 부분에서 설명하신 부분을 확산에 의한 전자의 이동을 E-field에 의한 drift가 상쇄시켜 확산이 더 이상 이루어지지 않는다고 말씀하셨는데 drift가 전계에 의한 전하의 움직임이니깐 결국 확산하는 전자와 E-field의 전자의 이동이 서로를 상쇄시킨다고 해석하면 될까요??
네 맞습니다.
@@DevicePhysics 감사합니당
안녕하세요. 강의 잘 듣고 있습니다. pn접합을 하게 되면 각 영역의 다수 캐리어의 확산과 재결합에 의해 중심 영역에 공핍층이 생기게 되고, 공핍층에 남은 fixed charge에 의한 내부 전기장이 다수캐리어가 더 이상 확산하는 것을 막아서 공핍층에는 어떠한 캐리어가 있을 수 없다는 것은 알겠습니다. 사실 공핍층에도 캐리어가 존재하지만 우리가 수식적인 편리함을 위해 공핍층에서는 생성없이 재결합만 일어나며, 캐리어가 존재하지 않는다고 가정하는 것도 이해했습니다. 여기서 이해가 잘 안가는 게 있는데 그러면 공핍층에 유도되는 전기장이 양쪽의 소수캐리어의 확산까지 못 막잖아요? 공핍층에 존재하는 캐리어가 양쪽의 소수캐리어 농도와 같은 것인가요?
1. depletion region 에는 어떠한 캐리어도 없는 것으로 가정합니다.
2. 소수캐리어가 depletion region 안으로 들어오면, built-in E-field 때문에 반대편으로 빠르게 드리프트해서 이동하게 됩니다.
3. 자세한 소수캐리어의 분포 및 이동과정은 다음챕터에서 배우게 됩니다.
혹시 강의가 전기전자과 학생이 아니면 이해하기 힘든가요..? 신소재 학생인데 이해가 하나도 안되네요 ㅠ
첫 소개 영상에 이미 말했듯이 [물리전자공학] 과목이 선수과목입니다.
안녕하세요 교수님, 강의 잘 보고 있습니다. 여쭤보고 싶은 부분이 있어 댓글 남깁니다. 도핑된 반도체의 경우 다른 물질과 접합이 되었을 때 charge를 주고받으며 Fermi level이 얼라인 되고, 이 charge의 근원이 dopant이기 때문에 -qNA 또는 +qND 만큼의 fixed charge를 남기고 이 charge가 potential의 공간적 변화를 만들어 내는 것으로 이해를 하였습니다. 하지만, intrinsic 반도체의 경우에는 이 depletion region이 어떻게 되는지를 여쭤보고 싶습니다. 제 생각에는, intrinsic 반도체라고 하더라도 결국 charge를 주고 받으며 fermi level이 align 되는 과정은 필요하기 때문에 이 과정에서 band bending또한 따라오게 될 것 같습니다. 이 때 주고받는 charge의 근원이 도펀트는 아니게 될 것인데, 이 charge의 근원은 무엇이며 이 때 potential의 공간적 변화는 어떻게 기술할 수 있을지가 궁금합니다. 감사합니다.
질문하는 상황이 조금 더 구체적이어야 답변할 수 있을 것 같은데,
1. intrinsic 반도체에도 ni 만큼의 carrier 가 있습니다. 접합을 형성할 때, ni 가 이동하게 됩니다.
2. intrinsic 반도체에는 도핑이 되어 있지 않기 때문에, pn 접합과 같은 depletion region 이 생성되지는 않습니다. 따라서 intrinsic 반도체 전체의 밴드가 휘어지게 됩니다 (pn 접합에서는 depletion region 의 밴드만 휘어집니다)
@@DevicePhysics 답변해주셔서 감사합니다. 질문드리고자 하는 상황을 보다 구체적으로 말씀드리자면,
1. M-S 접합
2. S쪽이 intrinsic semiconductor
3. 반도체의 electron affinity + (EC-EF) < metal work function (에너지 밴드 다이어그램 상 반도체의 밴드가 더 윗쪽에 존재하는 상황)
위와 같은 상황에서 반도체에서 메탈 쪽으로 전자가 넘어가며 평형상태가 될 것인데
1) 이 때 메탈로 넘어가는 전자의 근원(doped semiconductor의 경우 dopant)
2) 이로 인한 반도체쪽 band bending의 정도(퍼텐셜의 공간적 분포)
위 두가지를 여쭤보고 싶습니다.
답변해주신 내용에 대해 추가로 질문드리자면,
ni가 이동하고 depletion region이 형성되지 않으며 band bending은 반도체 전체에서 일어날 것이라고 말씀해주셨는데
1. 반도체의 두께가 충분히 두꺼운 경우에도 x -> ∞(반도체가 오른쪽에 있는 경우)까지 밴드 벤딩이 일어나는 것일지 궁금합니다. 결국 charge에 의해 potential이 screening 될 것이라는 느낌을 갖고 있어서요..
2. depletion region의 형성 없이 밴드만 휘는 경우에는, 그렇다면 위 상황에서는 계면쪽으로 갈수록 hole이 많아지고(p>ni, n
@@Ranndjdjdkekwlwasdd 전체적으로는 이전에 한 답변과 동일합니다.
1. metal 로 넘어가는 전자는 ni 입니다.
2. intrinsic 반도체는 depletion region 이 형성되지 않기 때문에 전체구간의 밴드가 균일하게 (linear 하게) 휘어집니다. "charge 에 의해 potential 이 screening" 된다는 말은 무슨 뜻인지 모르겠습니다.
3. 계면쪽으로 갈수록 ni 의 일부분이 금속쪽으로 건너갔기 때문에 상대적으로 홀들이 많은 영역이 되는 것이 맞습니다.
@@DevicePhysics 답변해주셔서 감사합니다.
2. EFM-EFS에 의한 퍼텐셜 차이에 대응되는 전하가 필요하다는 의미로 말씀드렸습니다.
3. 그러면, 이 계면에 모인 hole이 메탈쪽으로 넘어가는 일은 없을지 여쭤보고 싶습니다.
MOSCAP처럼 인슐레이터 등으로 막힌 상황이 아니고, 전기장도 홀이 메탈쪽에 넘어가는 방향으로 형성이 될 것 같은데 도펀트처럼 공간적으로 고정된 전하가 아닌 홀은 충분히 넘어갈 수 있지 않을까 싶습니다. 그러면, 이 상황에서는 계면쪽에 생긴 excess hole이 메탈로 넘어가면서도 generation 등에 의해 그 양은 유지가 되는 동적 평형상태로 이해하면 될지 여쭤보고 싶습니다.
자세히 답변해주셔서 다시 한번 감사드립니다.
@@Ranndjdjdkekwlwasdd1. 앞에서 답변했듯이 intrinsic 반도체 전체가 밴드가 휘어집니다. 즉, intrinsic 반도체 전체적으로 charge 의 불균형이 발생합니다. 따라서 Efm-Efs 에의한 퍼텐셜 차이는, 이 전하불균형이 대응하는 것입니다.
2. 뒤에 MS접합 강의에서 설명했는데, 금속은 전자와 홀이 모두 많은 물질로 간주해야 합니다. 따라서 전기장에 의해 반도체-->금속 으로 이동하려는 홀들은 금속-->반도체로 확산하려는 힘에 의해 상쇄될 것입니다. 물론 실제 상황에서는 질문한것처럼 thermal generation 이나 다른 효과들도 전부 포함되어 평형상태를 형성할 것입니다.
교수님 np접합이 아닌 pn접합 시 p형, n형 도핑농도가 만약 Na=2 Nd=1 이라면, 농도차이로 인해 p형에서 n형으로 hole이 넘어가고 n형에서 p형으로 전자가 넘어감에 따라 공핍영역이 형성되어서 원래 농도 Na와 Nd보다 작아진다고 생각했는데... 원래의 도핑농도가 2:1로 유지된다는 것은 농도차이로 넘어간 hole과 전자가 기존의 도핑농도(Na=2 Nd=1) 보다 아주 적은 양으로 보기 때문인것인가요?
강의를 다시 이해해보길 바랍니다. depletion approximation 에 의해 모든 변화는 depletion region 안에서만 발생합니다.
@@DevicePhysics 질문을 다시 정리해서 여쭤봅니다. 23:25 에서 둘을 접합했을 n에서 p로 전자가 넘어가고 p에서 n으로 hole이 넘어감에 따라 기존의 n형반도체의 ND의 농도와 P형 반도체의 NA농도가 기존보다 실제로 낮아지는 것 까지 이해했습니다. 그런데 실제로 넘어간 전자와 hole에 의해 농도가 낮아지더라도 그 넘어간 전자 hole의 각각의 양이 기존의n형, p형 도핑 농도인 ND와 NA보다 현저히 적은 양이기 생각하기 때문에 도핑농도가 그대로 그래프상에서 직선으로 나타나는 것이 맞는건가요? 그리고 그것이 depletion approximation이맞나요?
완전히 잘못 이해하고 있습니다. depletion approximation 부분을 다시 이해해보길 바랍니다.
@@DevicePhysics 교수님 N형의 ND와 P형의 NA의 도핑농도가 공간전하영역에서 바로 0로 되는 것이 아니라 사실은 스무스하게 줄어드는데 수식적으로 계산하기 쉽게 바로 0이 된다고 가정하는것이 depletion approximation 이라고 설명해주셨는데.....
이것과 별개로 n에서 p로 p에서 n으로 전자 정공이 농도차이에 의해 넘어감에 따라 기존에 n형 p형의 도핑농도가 줄어드나요? 그 줄어드는 정도가 기존의 도핑농도에 비해서 현저히 작나요? 답답한 마음에 여러번 질문드려봅니다 ㅠㅠ
질문 자체가 이상합니다. 접합을 형성하면 도핑농도가 변하는것이 아니라, 접합 근처에서 캐리어들이 재결합하면서 사라지기 때문에 depletion region 이 형성되는 것입니다.
다시 말하면 강의에서 설명했듯이 캐리어 농도가 depletion region 에서 0 이 되는 것이지, 도핑농도가 변하는 것이 아닙니다.
쌩노베 기준 교수님. 어떤 강 의 부터 들으면될지. 컬리큘럼 알수있을까요?
[물리전자공학] - [기초반도체공학] 순서입니다. 제일 처음 강의소개영상에도 안내해 두었으니 참고 바랍니다.
@@DevicePhysics 감사합니다!!
접합 시 페르미준위가 같아지는 과정에서 Ec와Ef , Ev와 Ef의 간격이 접합 전과 왜 동일한지 궁금합니다.
이전 [물리전자공학] 강의에서 배웠듯이, Ec-Ef 와 Ef-Ev 는 전자와 홀의 농도와 관계가 있습니다. 따라서 pn접합을 만들 때, 전자와 홀의 농도가 일정한 영역은 간격이 그대로 유지됩니다.
@@DevicePhysics 답변 정말 감사합니다 ㅠㅠ
@@DevicePhysics 한가지만 더 여쭤보겠습니다!! 열평형 상태에서 접합 시 페르미 레벨이 평형이 되고 도핑농도는 일정하게 유지되어 각각의 간격이 접합전과 같은 것은 알겠습니다. 그러나 접합 전 p형 반도체의 Ec Ev 의 절대값과 n형 반도체의 Ec Ev 절대값은 같을텐데 접합 후 P형 영역의 Ec가 더 높아지는지 궁금합니다! 현재로써는 도핑농도에 의한 간격이 유지되어 에너지밴드 상 더 높게 그리기 때문이라고만 생각이 되는데 다른 이유가 있는지 궁금합니다.
@@jss6895 Ec, Ev 레벨은 절대적인 값을 가지는 에너지레벨이 아닙니다. 따라서 Ec, Ev, Ef 는 전부 상대적인 차이값만이 물리적인 의미가 있습니다.
depletion approximation을 할 수 있는 조건이 있을까요?
조건은 없습니다.
좋은 강의 감사드립니다
질문 하나만 드려도 될까요?
22분정도 슬라이드에 depletion region에는 mobile carriers가 남아있지 않다고 설명하셨는데
저는 pn 각 기판에 minority carriers는 남아있을것이라 생각하는데
majority carriers에 비해 수가 매우 적어서 무시하고 없다고 가정하는 것인지 궁금합니다
네 맞습니다. minority carrier 도 없는것으로 간주합니다.
14:38
N type wafer에 p type 이온을 implamtation해서 pn 접합 만들어도 되나요??
네 원래 그렇게 만듭니다.
반도체 공정에 사용하는 wafer 는 intrinsic Si 이 아니라, 낮은 농도로 도핑된 p-type wafer 또는 n-type wafer 입니다.
안녕하세요, 교수님
1) ion implantation 과정에서 도너를 양이온으로 이온화 시키고 wafer에 beam으로 주입 시키는 걸로 알고 있습니다.
그렇다면 양이온으로 이온화된 도너에는 전자가 부족할텐데 어떻게 wafer가 자유전자가 많은 n형 반도체가 될 수 있는 것인가요?
2) 굳이 이온화된 원자를 빔으로 쏴주는 이유가 뭔지도 궁금합니다. 이온화되지 않은 최외각 전자가 5개인 원자를 쏴서 주입하면 안되는 것인가요?
감사합니다.
반도체 공정 과목에서 자세히 배울테니 간단히 설명하자면,
1) 웨이퍼에 도너 이온이 주입되기 전에 중성화를 위한 단계가 추가적으로 있습니다.
2) 이온화를 시켜야 외부에서 강한 전기장을 가해서 충분한 운동에너지를 가지도록 가속시킬 수 있습니다.
교수님, pn반도체를 접합하였을때, 페르미 레벨이 직선으로 통일되어야 하는 이유가 무었인가요?
물리전자공학에서 이미 다룬 내용입니다. 다시 복습 바랍니다.
그럼 pn접합시 순간 전류가 흐르는건가요?
아닙니다. thermal equilibrium 상태에 도달하기 까지 캐리어가 이동하는 시간이 존재하지만, 이 시간 동안 전류가 흐른다고 이해하는 것은 옳지 않습니다. 만약 전류가 흐른다면, p-type Si 와 n-type Si 을 붙였다가 떼기를 반복하면 전류(에너지)를 생성할 수 있다는 뜻이 됩니다.
실제로는 강의에서 설명한것처럼 p-type 웨이퍼에 donor 를 주입하여 pn접합을 형성합니다. donor 를 주입 후 열처리과정을 거치게 되는데, 이 열처리과정 중에 강의에서 설명한 과정이 진행됩니다. 즉 분리된 p-type Si 과 n-type 을 딱 붙이는 순간 이란 것이 존재하지 않습니다.
교수님 항상 강의 잘 듣고 있습니다. 혼자 공부하서 궁금한 점이 생겨서 질문드립니다.
p형 기판에 도너를 주입하고 있는 pn junction에서는 공정상황을 고려할때 최종으로 만들어진 n형 반도체 내의 전자의 농도를 Nd-Na로 나타낸다고 했는데 이런 이유가 도너이온을 주입해서 생긴 자유전자들이 기존에 있던 정공들과 재결합하기 때문인걸로 이해해도 될까요?
네 맞습니다.
안녕하세요 교수님. 16분 그림에서 junction을 이루기 이전에 n-type과 p-type 반도체는 열적 평형 상태에서 neutral한 상태를 이루고 있는데요.. 그런데 n-type의 경우 전자들이 majority carrier로 존재하고 donor들이 존재하고 있는데 그렇다면 여기서 donor들은 이온 상태로 +전하를 띄고 있는 상태인 것인가요? 그리고 마찬가지로, p-type의 경우 홀들이 majority carrier로 존재하고 acceptor들이 존재하고 있는데 여기서 acceptor들은 이온 상태로 -전하를 띄고 있는 상태인 것인지 궁금합니다ㅠ
네 맞습니다. 자세한 내용은 이전 과목인 [물리전자공학|4.3] 에 설명되어 있으므로 참고 바랍니다.
20240922 수강
~~~ 되겠습니다. 하는 말 좀 안 쓰면 좋겠어요. ~됩니다라고 쓰시는 게 맞구요.
18:24 ~ 18:37 부분의 설명이 이해가 어렵습니다.
pn junction할 때 n-type의 (+) fixed charge와 p-type의 (-) fixed charge에 의해 (+)에서(-)로 흐르는 electric-field가 형성되고 전자들이 확산할 때도 전자의 농도가 높은 왼쪽에서 오른쪽으로 확산하는 것까지 이해했습니다. 그리고 열적평형상태이기 때문에 전자들이 확산하는 방향에 반대하여 Ebi가 오른쪽에서 왼쪽으로 생성되는대 그렇다면 Ebi는 fixed charge와 상관없이(전기장과 상관없이) 단순히 전자들이 diffuse하는 것을 막기 위해 생성되는 건가요?
전기장이 흐르는 방향과 전자가 확산하는 방향이 서로 같지만 Ebi가 반대방향으로 생성되면서 전자의 이동을 막는다고 이해하고 있는데 뭔가 제가 기초적인 부분을 잘못 이해하고 있는 것 같아서 댓글 남깁니다.
질문이 정확히 무엇인지를 모르겠습니다. Ebi 는 fixed charge 때문에 만들어 집니다. 전기장이 '흐른다' 라고 하였는데 전기장은 흐르거나 이동하는 개념이 아닙니다.
@@DevicePhysics 농도의 차이 때문에 전기장 생성, 전자와 홀의 확산도 나타나고 Ebi는 fixed charge 때문에 나타나는건가요?
이전 물리전자공학 개념에서는 열적평형상태에서 Jtotal이 0이어야 하므로 도핑농도 불균형 함으로 인한 diffusion이 형성될 때 이것을 상쇄할 Ebi가 생성된다고 기억하고 있는데 이번 강의에서는 'fixed charge에 의해 (+)에서(-)로 전기장이 형성되고 Ebi는 (-)에서(+)로 흘러 전자확산을 막는다' 이렇게 설명하신 부분이 헷갈립니다ㅠ Electric-field와 Ebi는 생성방법이 각각 다른, 따로 이해해야하는 개념인지 궁금합니다
@@212cockatoo8 여전히 어떤 부분이 헷갈린다는건지 이해가 안됩니다. Ebi 는 built-in electric field 입니다. 즉 Ebi 가 전기장입니다. 뭔가 전기장이란 개념을 잘못 이해하고 있는것 같습니다.
@@피셔맨-j9g 뭔가 잘못 이해한것 같은데, 강의에서도 설명했듯이,
1) 밴드의 기울기가 양수이므로, 전기장은 오른쪽 방향으로 형성됩니다. 그리고 이 전기장이 바로 built-in E-field 입니다.
2) built-in E-field 가 오른쪽 방향이기 때문에, 전자는 왼쪽으로 드리프트 하려 합니다.
3) 다만 전자의 농도는 n-type 쪽이 높기 때문에, 확산은 오른쪽 방향으로 진행하려 합니다.
4) 결국 확산과 드리프트가 반대 방향으로 진행하려 하며, 이 둘이 정확히 균형을 맞추기 때문에, 결과적으로는 전자가 움직이지 못해 전류가 흐르지 않습니다.
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