6724번 글을2011-07-22 오후 4:08:21에
정기수
님이
남겨주셨습니다.
이 글은 1791번 조회되었습니다.
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> 얼씨구님께서 말씀하시길....
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> 교과서 마다 조금씩 차이가 있어서 질문을 올립니다.
> 질문1
> 일반적인 반도체는 전도대와 원자가 띠 중간쯤에 패르미 에너지가 있구요
>
> p형 반도체나 n 형 반도체에서는 받개 준위나 주개 준위 쪽으로 약간 쏠려 있습니다.
>
> 바이저 현대물리책과 물리의 이해 사이트도 그렇게 나와있구요
>
> 그런데 제가 가진 리보프 양자역학 책에는 패르미 에너지가
> P형 반도체는 받개 준위와 원자가띠 사이에,
> N형 반도체는 주개 준위와 전도대 사이에 있더군요..
>
> 불순물이 들어가면 전자의 움직임은 거의 받개,주개 준위와 원자가띠/전도대 사이에서 일어나는데 리보프 교과서에 쓰여진 것이 맞지 않습니까?
>
>
> 질문2
> PN접합에서 역바이어스에서
> [첨부]파일참조
> 왼쪽사진 처럼 P형의 원자가 띠가 N형의 전도대를 넘지 않습니다.
> 바이저 책과 물리의 이해 사이트도 이렇게 나와있구요
>
> 그런데 이번에 나온 물리1 교과서에는 간격이 너무 벌어져서 오른쪽 처럼 P형의 원자가띠가 N형의 전도대 위에 있는 그림이 있었는데요
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> 이 상태면 전자가 터널 효과가 일어나서 제너 다이오드 처럼 전류가 많이 흐를것 같습니다.
> 그런데 키탤 열물리 책을 봐도 오른쪽 처럼 그림이 그려져 있더라구요 ㅠㅜ
>
> 제가 무엇을 잘못 있는 것일까요ㅠㅠ
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[질문1]에 대해
페르미 에너지를 원래의 정의, 즉 온도 0K 에서 채워진 전자의 에너지 준위로 해석하는 경우, 리보프 교재에서 기술했다는 내용이 맞습니다.
n-형 반도체의 경우 0K온도에서 주개 준위에는 전자가 100% 채워져 있으나 전도띠에는 전자가 전무하기 때문에 그 둘의 중앙정도에 페르미 에너지가 있을 것입니다. (p-형의 경우도 같은 논리로 받개 준위와 원자가띠 사이에 있을 것입니다. 이하 n-형만 생각하기로 하죠)
한편 0K 가 아닌 경우의 '페르미 에너지'는 1/2 이 채워진 에너지를 말합니다. 따라서 반도체가 주로 작동하게 되는 상온이 되면 페르미 에너지가 아래쪽으로 내려오게 됩니다. 0K 로부터 온도가 약간 올라가서 주개 준위의 전자의 1/2 이 전도대로 올라가는 정도가 되면 주개 준위가 바로 페르미 에너지가 되는 것으로 그 경향성을 확인할 수 있습니다.
따라서 상온이 되면 이제 페르미 에너지는 중앙을 향해서 더욱 내려오게 되어 본 교재나 바이저 책에서 표현한 것처럼 중앙에서 약간 주개 준위로 치우친 것으로 표현될 것입니다. 불순물 농도가 낮거나 온도가 극단적으로 많이 올라가면 불순물의 효과는 미미해지므로 진성반도체의 경우처럼 원자가띠와 전도띠의 중앙점이 되겠죠.
(엄밀하게는 0K 가 아닌 경우 1/2이 채워진 준위를 '페르미 에너지'라고 하지 않고 페르미 준위 또는 화학퍼텐셜로 불러야 하지만 보통의 물리교재에는 페르미 에너지와 페르미 준위를 잘 구분하지 않는 듯 합니다.)
[질문2]
역바이어스 전압을 거는 정도에 따라 첨부하신 그림의 둘 다가 가능할 것입니다. 즉 역전압을 크게 걸면 그림의 오른쪽 상황도 얼마든지 가능하겠죠. 그러나 그렇다고 해서 (질문하신 것처럼) 전자가 바로 터널링을 하는 것은 아닙니다. 터널링이 상당한 확률로 일어나기 위해서는 접합부의 공핍층의 간격이 아주 좁거나 역전압이 상당히 높아야 할 것입니다.
도핑을 심하게 해서 불순물 농도를 높이면 공핍층의 두께가 얇아져서 쉽게 터널링이 일어나는 것이 '제너 다이오드'이죠. 보통의 다이오드는 공핍층의 두께가 그렇게 두껍지 않아서 수 V 정도에서는 터널링이 일어나지 않습니다. 단, 보통의 다이오드도 역전압을 심하게 걸어주면 '제너항복'이 일어나게 되어 통전상황이 생기는 아마 수십 V 이상입니다. |
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