반도체 소자 #3 - Thermal generation & Recombination

Thermal generation (열생성)

 

반도체의 가전자대에 있던 전자가 에너지를 받아 전도대로 올라가면 자유롭게 움직일 수 있는 전자와 정공 한 쌍이 만들어진다. 이때 인가된 에너지가 열에너지일 경우 이를 Thermal generation 이라고 부른다. 그리고 단위 시간당 단위체적 내에서 열생성 되는 전자-정공 쌍G를 Thermal generation rate (열생성률)이라 부른다.

이러한 열생성률은 온도에 따라서 변한다. 온도가 올라갈 경우 더 많은 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하므로 Thermal generation rate는 증가한다. 

 

Recombination (재결합)

재결합(Recombination)은 전자와 정공이 만나서 소멸되는 과정을 뜻한다. 단위시간당 단위체적 내에서 재결합되는 전자와 정공 쌍을 재결합률 R 이라고 한다. 재결합률은 전자와 정공의 농도에 비례하고 비례상수를 r이라고 하면 다음과 같은 식을 가진다.

R = rnp [쌍/cm^3 sec]

 

전자와 정공의 농도가 평형상태 값보다 많아지거나(빛을 쏘아주거나 열을 가했을 때), 적어질 경우(P-N접합의 Depletion 지역 )에는 다시 평형 값으로 돌아가려는 반응들이 발생하고 이는 Recombination과 Generation은 항상 같이 일어나고 있는 중이란 것을 뜻한다.

 

여기서 Recombination 방식은 두가지로 나누어지는데, Direct recombination (직접재결합) 과 Indirect recombination(간접재결합)이 있다.

1. Direct recombination (직접재결합)

 

직접재결합의 경우 전도대의 전자들이 밴드갭 내의 중간단계를 거치지 않고 바로 가전자대로 내려가 정공과 같이 재결합하는 것을 직접재결합이라고 한다. 

 

 

 

 

 

 

 

2. Indirect recombination (간접재결합)

 

간접재결합의 경우 전자가 밴드갭 내의 중간 에너지 준위를 거쳐 가전자대의 정공과 재결합하는 현상을 말한다. 과정을 살펴보면 밴드갭 내의 중간에 있는 트래핑 센터 (재결합 센터) 에 가전자대의 정공이 옮겨오고 그 뒤에 전도대의 전자가 그곳으로 내려와서 결합이 이루어진다. 여기서 전자나 정공 중 한 반송자가 일시적으로 에너지 밴드갭 내의 한 준위에 포획되어지는 곳을 Trap (트랩) 혹은 Temporary trapping center (트래핑센터) 라고 부른다.

 

 

 

※ Trap : 밴드갭 상에 존재하는 에너지 준위. 불순물(도핑 불순물, 금속 오염물) 또는 표면에서의 Dangling bond에 의하여 생성되어지고, 결합해야할 상대 반송자가 도달하는 시간보다 빨리 여기 되어 나타나는 현상이기 때문에 전도대나 가전자대에 가까운 에너지 준위에 존재할 확률이 높다.

 

※ Temporary trapping center : 동시에 혹은 먼저 포획된 반송자가 여기되기 전에 상대 반송자가 들어와서 재결합이 이루어지기 때문에 에너지 밴드갭 중심 부근에 주로 위치하고 있다.

 

Recombination 과 Generation 상관관계

 

전자와 정공의 농도가 평형상태 값보다 많아지거나(빛을 쏘아주거나 열을 가했을 때), 적어질 경우(P-N접합의 Depletion 지역 )에는 다시 평형 값으로 돌아가려는 반응들이 발생하고 이는 Recombination과 Generation은 항상 같이 일어나고 있는 중이란 것을 뜻한다.

 

 

 

시간에 따라 변화되는 G와 R의 상대적 크기

 

어느 순간에 G>R 이 된다면 전체의 반송자수가 증가하고, 반대로 R>G 일 경우 감소한다. G = R이 되면 반송자의 농도가 변함이 없이 지속되어짐을 알 수 있다.

 

 

 

 

블로그 쓰는 시간보다 책 읽고 이해하는 시간이 더 오래걸리는건 기분탓인건가 ㅎㅎㅎㅎㅎㅎ