[반도체 특강] 반도체 메이저 바카라(Carrier)에 대하여_다수 메이저 바카라와 소수 메이저 바카라

※본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체 내 전류의 흐름을 발생시키는 것을 반송자 혹은 이동자라고 하며, 이는 주로 메이저 바카라(Carrier)라 불립니다. 메이저 바카라의 종류는 전자(Electron)와 정공(Hole, 전자가 없는 빈 공간)으로 나뉘지요. 메이저 바카라는 자주 쓰이는 반도체 용어이지만, 정작 다수 메이저 바카라와 소수 메이저 바카라의 근원에 대한 논거는 부족한 면이 있습니다. 그래서 이번 장에서는 다수 메이저 바카라와 소수 메이저 바카라가 어디에서 왔는지, 그리고 이들 사이에는 어떠한 관계가 있는지에 대해 알아볼까 합니다.

1. 다수 메이저 바카라와 소수 메이저 바카라의 정의

<그림 1 불순물(Extrinsic) 반도체에서의 메이저 바카라 종류 및 구분

반도체의타입은다수메이저 바카라의종류에따라정해지는데,크게진성반도체와n형반도체,p형반도체로나뉩니다.다수메이저 바카라(majoritycarrier)란이름과같이메이저 바카라를많이보유했다는뜻이며,반대로소수메이저 바카라(minoritycarrier)는적게보유한쪽을의미하지요.다수메이저 바카라의개체수와소수메이저 바카라의개체수가같은경우는진성메이저 바카라(Intrinsiccarrier)혹은순수메이저 바카라라고합니다.

15족과 14족을 결합해 만들어진 n형 반도체의 경우, 잉여전자에서 빠져나온 자유전자가 다수 메이저 바카라, 정공이 소수 메이저 바카라가 됩니다. 반대로 13족과 14족의 결합체인 p형 반도체는 정공이 다수 메이저 바카라, 전자가 소수 메이저 바카라가 되지요. 그런데 p형 반도체일지라도 13족 원자보다 더 높은 농도로 15족 원자를 도핑할 경우, p형이 n형으로 변합니다. 13족과 같은 농도로 15족 이온을 주입하면 진성 반도체가 되지요. 그 반대의 경우도 동일합니다. ▶[반도체 특강] 반도체 속의 슬롯사이트 꽁머니 여행: 자유슬롯사이트

2. 진성 메이저 바카라(Intrinsic Carrier)

기판의base물질인순수실리콘(Si)원자(10^22개/cm^3)는이웃한Si원자4개와공유결합을형성하고있습니다.이결정격자구조의최외각껍질에서원자핵을중심으로회전운동을하던전자가열에너지나광에너지등여기(Excitation)에너지를받을경우,원자핵의구심력을끊어내고자유전자가되는데요.그것의개체수는상온에서1초에약10^10~10^11개/cm^3정도발생(이때EHP:Electron-HolePair생성)합니다.또반대로동일조건에서같은개체수로소멸(EHP결합)하기를반복하지요.

이때,전자메이저 바카라와정공메이저 바카라의개체수가같기때문에이를진성메이저 바카라(IntrinsicCarrier)라고합니다.온도변화가없는열평형상태에서만들어진전자개체수n₀_intrinsic과정공의개체수p₀_intrinsic은서로같으며,이를진성메이저 바카라농도ni(numberofintrinsiccarrier/cm^3)로통합하여표현합니다(n₀_intrinsic=p₀_intrinsic=ni).즉진성반도체의메이저 바카라인전자의개체수와정공의개체수를곱하면진성메이저 바카라농도를제곱한것과같지요(ni^2=n₀_intrinsic*p₀_intrinsic,"0"은평형상태:에너지변화가없다는의미로서불순물이주입되는변화상태는예외로함).진성메이저 바카라농도의제곱지수는순수Si원자개체수의제곱지수의약절반정도가되지요.

2.1 전자-정공쌍 (EHP : Electron-Hole Pair)의 생성

여기(Excitation)되는 개체수는 에너지 갭(Eg)의 크기에 따라 달라집니다. ▶[반도체 특강] 인터넷 바카라의 존재와 자유인터넷 바카라의 공유결합 상태의 전자가 최외각껍질에서 이탈하면 전자의 빈자리가 생기는데, 이를 정공이라 부릅니다. 이때 전자-정공쌍(EHP: Electron-Hole Pair)이 동시에 생성되지요. EHP는 결정격자구조의 원자 내 최외각전자에서 이탈하는 전자가 주인공이기 때문에, 실리콘 원자의 개체수(/cm^3)와 연관이 있습니다.불순물을 주입한 이온 개체수는 전체 실리콘 원자 개체수(진성 반도체)보다 최소 1천 분의 1~1천만 분의 1 정도 적기 때문에 EHP에 기여하는 정도는 극히 미미합니다.

2.2 전자-정공의 재결합

원자의 구심력을 끊어내고 밖으로 나온 전자는 외부에서 가해지는 에너지가 없으면 곧바로 주변 원자핵의 인력과 인접 원자의 최외각껍질에 위치한 정공의 양성(+)에 이끌려 원자의 정공 속으로 들어갑니다. 이를 전자-정공의 재결합(소멸)이라고 하지요.EHP 재결합 메커니즘은 진성(intrinsic) 반도체와 불순물(extrinsic) 반도체 모두 동일합니다. 단, 농도에 의해 영향을 받거나(불순물이 주입되는 이온들에 의하여 반대 타입의 순수 메이저 바카라들의 개체수 들이 적어짐), 무시(불순물 주입 시, 동일 타입의 순수 메이저 바카라들은 개체수가 적기 때문에 무시됨)할 정도가 됩니다.

여기서재결합률을눈여겨보아야합니다.전자-정공의생성률과비교해재결합률이더작으면전자-정공쌍이남아돌고,동일할경우과잉반송자(ExcessCarrier)가없다는것을의미합니다.재결합률로시간에따라전자-정공쌍이소멸하는시간을계산할수있으며,생성률과재결합률의차이로전자나정공의수명시간을계산할수있습니다.EHP의수명시간이길경우소수메이저 바카라의생존시간을높일수있습니다.

3. 다수 메이저 바카라는 어디에서 오는가?

<그림2 다수 메이저 바카라의 원천

다수메이저 바카라는이온-임플란테이션공정중웨이퍼(정확하게는트랜지스터의소스/드레인단자혹은Substrate)에주입된불순물이온의타입과농도에의해형성됩니다.이온은순수웨이퍼혹은저농도불순물웨이퍼에보통cm^3당10^15개(13족붕소B5원소가이온주입된개체수)에서10^19개(15족비소As33원소가주입된개체수,고집적화될수록농도가적어짐)정도주입합니다.

3.1 n형 다수 메이저 바카라

15족의 이온(도너(donor), Nd는 도너의 개체수/cm^3)을 14족 순수 Si 원자 속으로 도핑하면 15족과 14족 원소가 공유결합을 하게 됩니다. 그리고 남은 전자 1개(이온 주입 원자 당)는 잉여전자가 되지요.이 잉여전자가 에너지를 받아 여기(Excitation)되면 자유전자 n₀_extrinsic이 되어 n타입 반도체의 다수 메이저 바카라가 됩니다.n형 반도체 내 n₀_intrinsic의 개체수 10^19/cm^3는 n₀_intrinsic의 개체수 10^10/cm^3를 압도하므로 n₀_intrinsic의 개체수는 무의미합니다. n₀_extrinsic은 도너의 개체수로 간주(100% 공유결합 시)할 수 있습니다. ▶[반도체 특강] CMOS가 정착할 신대륙

3.2 p형 다수 메이저 바카라

13족이온(어셉터(Acceptor),Na는어셉터의개체수/cm^3)을14족순수실리콘원자속으로주입하면13족과14족원소들이공유결합(13족원자가주변4개의14족원자들과)을하게됩니다.이때완전한공유결합을하려면전자1개가부족(이온주입원자당)해집니다.전자1개가들어갈자리인정공이발생하게되는것이지요.이정공속으로이웃원자에속했던전자(근방의자유전자가들어갈수도있지만,available한자유전자개체수가극히적음)가들어가면이웃한원자에서새로운정공이발생하게됩니다.이러한현상을‘정공의이동’이라하지요.이경우정공의개체수가주변의자유전자개체수보다많기때문에정공p₀_extrinsic이다수메이저 바카라가됩니다.즉n형및p형반도체의다수메이저 바카라는외부에서실리콘원자에강제로주입해형성하기때문에그개수를계산하기용이합니다.▶[반도체 특강] 코인 카지노 사이트 방식을 이용한 소스와 드레인 단자 만들기p형 반도체 내 p₀_extrinsic의 개체수 10^15/cm^3는 p₀_instrinsic의 개체수 10^10/cm^3를 압도하므로 p₀_intrinsic의 개체수는 의미가 없습니다. p₀_extrinsic은 어셉터의 개체수로 간주(100% 공유결합 시)할 수 있습니다. 이온을 주입한 원자가 100% 공유결합에 성공할 경우 pMOS에서는 3족 원소가 4족 원소와 결합하는 족족 모두 정공이 발생합니다. 이온으로 주입하는 3족 원자의 농도가 곧 정공의 농도가 되는 것이지요.

3.3 다수 메이저 바카라도 차등을 둔다

<그림3 다수 메이저 바카라 농도 차이

MOSFET를만들경우드레인전류흐름의효율을높이고게이트의Substrate를쉽게통제하기위해소스/드레인단자의농도를Substrate보다높입니다.그에따라다수메이저 바카라를차등을두는데,MOSFET의채널타입에따라n채널(nMOS)일때는n타입반도체(소스/드레인단자)의이온주입농도를p타입반도체(기판)보다높게하고,p채널(pMOS)일때는그반대로합니다.즉,n타입일때15족-14족다수메이저 바카라의개체수(소스,드레인단자)가13족-14족다수메이저 바카라(Substrate)의개체수보다약100배~10,000배정도높게도핑을하여n고-p저-n고불순물형태로nMOSFET를만듭니다.

4. 다수 메이저 바카라의 속성: 잉여전자, 자유전자, 정공(Hole)

n형반도체에서잉여전자는아직다수메이저 바카라가아닙니다.p형반도체에서는잉여전자가발생하지도않지요.잉여전자는불순물5족원자와순수Si4족원자가결합한후공유결합에참여하지못한잔유물입니다.따라서 원자나 공유결합 입장에서는 불필요한 존재이지요. 반면 반도체 동작에서는 잉여전자가 가장 핵심적인 역할을 수행하는데요. 잉여전자가 일정한 에너지를 얻으면 여기(Excitation)하여 자유전자가 되지요. ▶[반도체 특강] 페르미-디락 분포확률함수와 바카라의 존재 확률잉여전자가 자유전자가 될 때, 비로소 다수 메이저 바카라가 될 수 있습니다.

p형 반도체에서는 잉여정공이 존재하지 않습니다. 전자가 비어 있는 공간이라는 뜻의 ‘정공’과 남아돈다는 의미의 ‘잉여’는 상반된 개념이지요.즉 원자 입장에서 정공은 잉여전자처럼 떼어내야 할 대상이 아닌, 도리어 전자를 채워 넣어야 할 공간입니다.하지만 원자 밖의 자유전자를 끌어올 여력이 없으므로(EHP인 n₀_intrinsic 전자는 원자 밖에 존재하다가 인근 정공 속으로 뛰어들지만, 정공 개체수 10^15개/cm^3와 비교 시 존재의 의미가 없으며 n₀_intrinsic 전자 개체수가 줄어기들만 할 뿐임)인근 원자에서 빌려옵니다. 그러면 이동하는 전자가 있었던 자리(이웃 원자)에는 전자가 없어지므로 빈자리(정공)가 되지요. 그렇게 연이어 인근 원자에서 자유전자를 빌려오다 보면 마치 정공이 징검다리 건너듯 이동하는 모양이 됩니다. 그렇게 이동하는 정공들을 p형 반도체에서는 다수 메이저 바카라라 부릅니다. ▶[반도체 특강] MOSFET, 수평축으로 본 슬롯사이트 소닉

5. 소수 메이저 바카라는 어디에서 오는가?

<그림4 다수 메이저 바카라와 소수 메이저 바카라의 관계

5.1 순수 메이저 바카라-다수 메이저 바카라-소수 메이저 바카라의 관계식

ni^2 = n₀_intrinsic1*p₀_intrinsic1(순수실리콘반도체)
= n₀_extrinsic*p₀_intrinsic2(n형반도체)
@ p₀_intrinsic2 ≪p₀_intrinsic1
= n₀_intrinsic2*p₀_extrinsic(p형반도체)
@ n₀_intrinsic2 ≪ n₀_intrinsic1

5.2 Intrinsic 반도체의 순수 메이저 바카라

지금까지의설명과<그림4및상기5.1항관계식을종합해보면,진성반도체의메이저 바카라는다수메이저 바카라나소수메이저 바카라로구분되지않고,모두순수메이저 바카라인n₀_intrinsic1(10^10개/cm^3)과p₀_intrinsic1(10^10개/cm^3)로만존재합니다.

5.3 n형 반도체의 소수 메이저 바카라

여기에 15족 불순물을 주입(10^19개/cm^3)하여 n형 반도체를 형성하면, 다수 메이저 바카라는 주입한 농도에 비례하여 n₀_extrinsic으로 증가하면서 순수 메이저 바카라들이 요동칩니다.n₀_intrinsic1의 개체수는 다수 메이저 바카라인 전자 개체수 n₀_extrinsic의 인해전술로 인해 무의미해지지요(주입된 불순물과 같은 타입의 다수-소수 메이저 바카라 중에서 소수 메이저 바카라는 다수 메이저 바카라의 개체수에 묻혀서 존재의 의미가 없어짐). 그리고 주입된 불순물과 다른 타입인 정공의 소수 메이저 바카라는 p₀_intrinsic1(10^10개/cm^3) 중에 다수 메이저 바카라인 전자가 뛰어들어 전자-정공 소멸이 된 후 살아남은 전공입니다. 상기식에서는 p₀_intrinsic2(10^5개 이하/cm^3)가 됩니다.

5.4 p형 반도체의 소수 메이저 바카라

13족 불순물을 순수 반도체에 주입하여 p형 반도체를 형성하면, 다수 메이저 바카라는 주입한 농도에 비례하여 p₀_extrinsic이 됩니다.소수 메이저 바카라는 불순물 주입에 따른 잉여전자 혹은 정공으로부터 유발된 것이 아닌, n₀_intrinsic1 중 다수 메이저 바카라인 정공 속으로 뛰어들어 전자-정공 소멸이 된 후 남은 전자로, 상기식에서는 n₀_intrinsic2가 됩니다.

5.5 다수 메이저 바카라와 소수 메이저 바카라의 관계

진성반도체이든불순물반도체(n형혹은p형)이든동일한단자내반도체에서서로다른타입의메이저 바카라들의곱을낸총개체수는단자를형성하는base물질로결정격자구조를형성하고있는원자들의총개체수를넘지않습니다.다시말해원자의총개체수를넘지않도록불순물주입농도를조절하여이온-임플란테이션공정을진행하지요.즉,소수메이저 바카라는순수반도체의EHP중불순물인다수메이저 바카라로부터공격을당해EHP가소멸한후남은상대방의메이저 바카라들이지요.다수메이저 바카라의개체수가많아지면그에반비례하여소수메이저 바카라의개체수는줄어듭니다.

※본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.