Direct 반도체와 Indirect 반도체
걸프전에서 뉴스 보도에 이런 내용이 있었다. 첨단의 미국 군사기기에 반도체 칩은 죄다 일제를 사용하고 있다는 내용이었다. 뉴스 보도에는 과장이 있기는 하였지만 첨단 미사일이나 Laser 폭탄등에 들어가는 반도체는 거의 일제를 사용하고 있는 것이 사실이다. 그런데 이러한 반도체는 실리콘으로 만들지 않는다.
모두 화합물 반도체로 만드는데 일본은 화합물 반도체에 있어 세계최고의 기술을 가지고 있기 때문이다.
왜 실리콘으로는 이러한 용도로 사용하지 못할까? (왜 발광소자나 광 검출 소자로 사용하지 못할까?) 그 해답을 찾는 것이 이번 절의 학습 목표이다.
그림 3.3.1에 모든 해답이 있다. 그림 3.3.1에 실리콘과 갈륨비소 (GaAs) 반도체에 대한 에너지 밴드 그림 (E-K relation)를 그려 두었다.
두 그림의 차이는 "Conduction band의 최소값과 valence band의 최대값의 K 값이 일치하는가 아닌가에 있다"
뒤에 더 자세히 (유효질량과 홀의 개념편에서) 배우겠지만 전자와 홀이 결합을 하기 위해서 는 K값이 일치해야한다.
즉 전자의 파장과 홀의 파장이 일치하는 놈들 끼리만 결합을 할 수 있는 것이다. 만약에 전자가 conduction band에 존재한다면 당연히 conduction band의 minimum에서부터 차곡차곡 차면서 존재하게 된다. 홀이 존재한다면 또한 valence band의 maximum에 존재 하게 된다.
이 부분은 뒤에서 더 자세히 배우겠지만 이 부분만 간단히 설명하면,
에너지밴드의 에너지는 전자의 에너지이다. 그림 3.1.2의 a,b 그림에서 보듯이 energy band 는 하나의 원자로 이루어진 수소원자의 모델에서 결정 상태로 확장된 것이다. 그림 3.1.2a에서 y축은 energy를 의미하는데 에너지란 바로 전자의 에너지 임은 두말할 필요가 없다.
따라서 당연히 에너지밴드의 에너지도 전자의 에너지를 의미한다.
에너지밴드의 윗 부분으로 갈수록 전자가 더 많은 에너지를 얻었다는 것을 의미하며 따라서 전자는 에너지가 낮은 부분부터 채울 것이므로 conduction band의 minimum부터 차게 된다. 홀은 어떤가? 에너지 밴드는 전자의 에너지이므로 홀은 반대로 윗부분으로 갈수록 에너지가 작다는 것을 의미한다.
따라서 홀은 윗 부분부터 채우게 된다.
그림 3.3.1에서 GaAs의 에너지밴드는 conduction band의 minimum과 valence band의 maximum이 일치하므로 대부분의 전자와 홀이 바로 결합을 할 수 있으며 전자가 홀과 결합하므로 생기는 에너지는 빛으로 발산하게 된다.
이것은 마치 수소원자 모델에서 여기된 상태의 전자가 낮은 에너지 상태로 전이될 때 그 차이에 해당하는 빛이 발생하는 것과 같다.
이때 발생하는 빛은 에너지 갭에 해당하는 빛이 된다. 반면에 Si은 K값의 변화가 있어야만 전자와 홀이 결합할 수 있다.
따라서 실리콘은 전자가 결정과 충돌하여 결정내부에 있는 trap이라고 불리우는 곳에 포획이 되고 (한마디로 결정과의 충돌로 K값이 변화하고) 그리고 나서 홀과 결합한다. 따라서 이때 충돌과정에서 Phonon을 발생시키는데 (Phonon은 뭐 특별한 것은 아니고 결정의 진동을 말한다) 결국 열에너지로 발산되는 것이다.
실리콘에서의 결합은 반도체 성질을 이해하는데 아주 중요한 것으로 이 과정을 SRH (Shockley-Read-Hole) 결합이라고 한다. 이 부분은 뒤에 더 자세히 설명하겠다.
우리가 흔히 보는 LED (Light Emitting Diode)나 CD player에 사용되는 레이저 등은 모두 이러한 direct semiconductor로 만들어 진 것이다.
Direct 반도체에서도 그 물질의 에너지 갭의 값에 따라 파장이 결정되는데 다음의 관계를 알고 있으면 에너지 갭과 그 물질에서 나오는 빛의 파장을 계산할 수 있다.
(식 3.3.1)
υ는 주파수, c는 빛의속도 (3×1010cm/sec), λ는 빛의 파장
h는 Plank 상수 (4.14 ×10-15 eV sec)
윗 식을 계산하여 빛의 파장을 계산하는 간단하게 표현한 식은
(식 3.3.2)
여기서 Eg의 단위는 eV이며 파장의 단위는 ㎛이다. 즉 1.24eV의 에너지 갭을 가진 물질에서는 1㎛ 의 빛이 발생한다.
GaAs는 1.43eV이므로 0.87㎛의 적외선 영역의 빛이 발생한다. 에너지갭이 2.26인 GaP (Gallium Phosphorus)는 0.55㎛로써 연두색의 빛을 낸다.
이 GaP는 특이하게 indirect 반도체 인데도 빛을 발생시키는데 결정 자체는 indirect 반도체이므로 빛을 낼 수 없지만 여기에 질소를 도핑하면 이 질소가 전자를 포획하여 마치 direct 반도체 conduction band 처럼 행동하는 특징이 있데 이것을 이용한 것이다.
걸프전에서 뉴스 보도에 이런 내용이 있었다. 첨단의 미국 군사기기에 반도체 칩은 죄다 일제를 사용하고 있다는 내용이었다. 뉴스 보도에는 과장이 있기는 하였지만 첨단 미사일이나 Laser 폭탄등에 들어가는 반도체는 거의 일제를 사용하고 있는 것이 사실이다. 그런데 이러한 반도체는 실리콘으로 만들지 않는다.
모두 화합물 반도체로 만드는데 일본은 화합물 반도체에 있어 세계최고의 기술을 가지고 있기 때문이다.
왜 실리콘으로는 이러한 용도로 사용하지 못할까? (왜 발광소자나 광 검출 소자로 사용하지 못할까?) 그 해답을 찾는 것이 이번 절의 학습 목표이다.
그림 3.3.1에 모든 해답이 있다. 그림 3.3.1에 실리콘과 갈륨비소 (GaAs) 반도체에 대한 에너지 밴드 그림 (E-K relation)를 그려 두었다.
두 그림의 차이는 "Conduction band의 최소값과 valence band의 최대값의 K 값이 일치하는가 아닌가에 있다"
뒤에 더 자세히 (유효질량과 홀의 개념편에서) 배우겠지만 전자와 홀이 결합을 하기 위해서 는 K값이 일치해야한다.
즉 전자의 파장과 홀의 파장이 일치하는 놈들 끼리만 결합을 할 수 있는 것이다. 만약에 전자가 conduction band에 존재한다면 당연히 conduction band의 minimum에서부터 차곡차곡 차면서 존재하게 된다. 홀이 존재한다면 또한 valence band의 maximum에 존재 하게 된다.
이 부분은 뒤에서 더 자세히 배우겠지만 이 부분만 간단히 설명하면,
에너지밴드의 에너지는 전자의 에너지이다. 그림 3.1.2의 a,b 그림에서 보듯이 energy band 는 하나의 원자로 이루어진 수소원자의 모델에서 결정 상태로 확장된 것이다. 그림 3.1.2a에서 y축은 energy를 의미하는데 에너지란 바로 전자의 에너지 임은 두말할 필요가 없다.
따라서 당연히 에너지밴드의 에너지도 전자의 에너지를 의미한다.
에너지밴드의 윗 부분으로 갈수록 전자가 더 많은 에너지를 얻었다는 것을 의미하며 따라서 전자는 에너지가 낮은 부분부터 채울 것이므로 conduction band의 minimum부터 차게 된다. 홀은 어떤가? 에너지 밴드는 전자의 에너지이므로 홀은 반대로 윗부분으로 갈수록 에너지가 작다는 것을 의미한다.
따라서 홀은 윗 부분부터 채우게 된다.
그림 3.3.1에서 GaAs의 에너지밴드는 conduction band의 minimum과 valence band의 maximum이 일치하므로 대부분의 전자와 홀이 바로 결합을 할 수 있으며 전자가 홀과 결합하므로 생기는 에너지는 빛으로 발산하게 된다.
이것은 마치 수소원자 모델에서 여기된 상태의 전자가 낮은 에너지 상태로 전이될 때 그 차이에 해당하는 빛이 발생하는 것과 같다.
이때 발생하는 빛은 에너지 갭에 해당하는 빛이 된다. 반면에 Si은 K값의 변화가 있어야만 전자와 홀이 결합할 수 있다.
따라서 실리콘은 전자가 결정과 충돌하여 결정내부에 있는 trap이라고 불리우는 곳에 포획이 되고 (한마디로 결정과의 충돌로 K값이 변화하고) 그리고 나서 홀과 결합한다. 따라서 이때 충돌과정에서 Phonon을 발생시키는데 (Phonon은 뭐 특별한 것은 아니고 결정의 진동을 말한다) 결국 열에너지로 발산되는 것이다.
실리콘에서의 결합은 반도체 성질을 이해하는데 아주 중요한 것으로 이 과정을 SRH (Shockley-Read-Hole) 결합이라고 한다. 이 부분은 뒤에 더 자세히 설명하겠다.
우리가 흔히 보는 LED (Light Emitting Diode)나 CD player에 사용되는 레이저 등은 모두 이러한 direct semiconductor로 만들어 진 것이다.
Direct 반도체에서도 그 물질의 에너지 갭의 값에 따라 파장이 결정되는데 다음의 관계를 알고 있으면 에너지 갭과 그 물질에서 나오는 빛의 파장을 계산할 수 있다.
(식 3.3.1)
υ는 주파수, c는 빛의속도 (3×1010cm/sec), λ는 빛의 파장
h는 Plank 상수 (4.14 ×10-15 eV sec)
윗 식을 계산하여 빛의 파장을 계산하는 간단하게 표현한 식은
(식 3.3.2)
여기서 Eg의 단위는 eV이며 파장의 단위는 ㎛이다. 즉 1.24eV의 에너지 갭을 가진 물질에서는 1㎛ 의 빛이 발생한다.
GaAs는 1.43eV이므로 0.87㎛의 적외선 영역의 빛이 발생한다. 에너지갭이 2.26인 GaP (Gallium Phosphorus)는 0.55㎛로써 연두색의 빛을 낸다.
이 GaP는 특이하게 indirect 반도체 인데도 빛을 발생시키는데 결정 자체는 indirect 반도체이므로 빛을 낼 수 없지만 여기에 질소를 도핑하면 이 질소가 전자를 포획하여 마치 direct 반도체 conduction band 처럼 행동하는 특징이 있데 이것을 이용한 것이다.
출처 : 엔지니어링네트워크팀-공학자료.구인구직정보.중고장비.제품영업
글쓴이 : 기술영업과장 원글보기
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