elemental; ge, si 2.2 결정격자 crystal; primitive...

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Chapter1. crystal structure 1.1 반도체 재료 elemental; Ge, Si 화합물 반도체; GaAs, Gap, InP, ZnS 2.2 결정격자 crystal; primitive cell이 주기적으로 배열 (a) single crystal (b) amorphous solid (c) polycrystaline solid primitive cell; minimum volume cell 1.3 lattice type 14 lattice types in 3 Dimension S.C, b.c.c f.c.c

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Page 1: elemental; Ge, Si 2.2 결정격자 crystal; primitive …bandi.chungbuk.ac.kr/~nsk/mulizenza/note.pdf1.5 Index system for crystal system crystal면의 위치와 방향을 기술하는

Chapter1. crystal structure

1.1 반도체 재료

elemental; Ge, Si

화합물 반도체; GaAs, Gap, InP, ZnS

2.2 결정격자

crystal; primitive cell이 주기 으로 배열

(a) single crystal

(b) amorphous solid

(c) polycrystaline solid

primitive cell; minimum volume cell

1.3 lattice type

14 lattice types in 3 Dimension

S.C, b.c.c f.c.c

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1.5 Index system for crystal system

crystal면의 치와 방향을 기술하는 것은 다음규정에 의해 결정된

다.

(ㄱ) 면과의 교차 을 기본벡터(x, y, z)의 정수배로 나타낸다.

(ㄴ) 이 숫자들의 역수를 취하고 이들을 최소의 정수 h k l의

set로 표 한다.

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1.6 다이아몬드 격자구조

diamond structure may be viewed as two fcc structures displaced

from each other by one-quarter of a body diagonal

1.7 반도체 결정성장

과제; 1. 결정의 완 화

2. carrier불순물의 균일한 doping

3. 불순물 제어

4. 결정의 형화

* Czochralski방법

직경제어---인상속도가 1차

2차 으로 가열온도

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* floating-zone방법(부유 역 용융법)

고주 유도가열에 의해 용융 를 형성하여 그것을 단결정의 길이

방향으로 이동하는 방법으로 단결정 성장

* Epitaxy

Epi----> upon, taxis-----> ordered

기 웨이퍼 에 방향성을 가진 단결정을 기르는 기술

격자구조와 격자상수가 같으면 epitaxial층을 형성하기 용이함

(a)CVD; chemical vapor deposition

(b)LPE; Liquid phase epitaxy

(c)MBE; molecular beam epitaxy

온공정 doping control 용이

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1.8 고체의 결합력

(a) ionic bond; NaCl, CsCl

bond resulting from the electrostatic interaction of

oppositely charged ions, nearly filled shell

(b) covalent bond; 공유결합, atom이 자를 공유하여 이상기체화

Ge, Si, C는 채워진 상태에 비해서 4개의 자가 부족

(c) metallic bond; 외각의 자유 자들과 양이온 심체의 상호작용

(d) Van Der Walls bond (among molecules)

(interaction between dipole moment and induced dipole

moment) attractive

(e) Hydrogen bond highly polar H2O

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Chapter2. Introduction to the Quantum Theory of Solids

1920년 원자규모에서 일어나는 상을 규명하는데 고 역학으로는

설명되지 않고 양자역학의 개념을 도입하여 성공 으로 해석

(a) photoelectric effect( 효과)

Em = hν - W Em; 자에 지(kinetic E)

W; work function(eV)

(b) wave-particle duality

De Broglie P = h/λ, λ = h/P, mv = h/λ

Davission-Germer experiment

(c) uncertainty principle

자의 치와 속도의 동시측정은 불확실하다. (h크기 이상으로)

ΔP ΔX ≥ h , △E △t ≥ h

2.1 Schrodinger wave equation

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2.1.1 The infinite potential well

wave function Ψ(x) = C sin(nπx/a) where n = 1, 2, 3,...

total energy E = h2n2/8ma2 where n = 1, 2, 3,...

2.1.2 step potential function

Reflected probability density function

R =

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2.2 Periodic table

Pauli exclusion principle; no two electrons in an atom

can exist in the same quantum state.

orbital quantum # l = 0, 1, 2,----- n-1

n; total quantum #

magnetic quantum # m = 0, ±1, ±2,-----±l

spin state s = ±h/4π

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2.3 Energy band

Bragg condition

Laue diffraction

energyε versus wave vector κ

(a) for a free electron

(b) for a single crystal

Energy gap Eg is of decisive significance in determining a

solid is an insulator or a conductor.

conduction band

valance band

energy gap

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2.5 Electrical conduction

drift current J = NqVd (A/cm2)

effective mass m* = (d2E/dk24π2h2)-1

concept of hole

Metal, Insulators, and Semiconductors

2.6 Statistical Mechanics

The density of quantum states per unit volume of crystal

g(E) = {4π(2m)3/2E1/2}/h3

The density of allowed energy state in the conduction band

gc(E) = {4π(2mn)3/2(E-Ec)1/2}/h3

The density of allowed energy state in the conduction band

gv(E) = {4π(2mp)3/2(Ev-E)1/2}/h3

Fermi-Dirac probability function

fF(E) = [ 1 + exp((E - Ef)/kT))]

그림 2.32

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Chapter 3 The Semiconductor in Equilibrium

3.1 charge carriers

the thermal- equilibrium concentration

of electrons no and po

no = ∫gc(E)fF(E) dE = Nc exp[-(Ec - Ef)/kT]

po = ∫gv(E)[1 - fF(E)] dE = Nv exp[-(Ef - Ev)/kT]

ni2 = NcNv exp[-(Ec - Ev)/kT] = NcNv exp[-Eg/kT]

2 Emidgap = (Ec + Ev)

Efi = Emidgap + 0.75 kT ln(m*p/m*n)

Ionization energy and Ⅲ-Ⅴ semiconductor

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3.3 Extrinsic Semiconductor

no = ni exp[(Ef - Efi)/kT]

po = ni exp[-(Ef - Efi)/kT]

ni = Nc exp[-(Ec - Efi)/kT]

nopo = NcNv exp[-Eg/kT] = ni2

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3.4 Position of Fermi Energy Level

Ec -Ef = kT ln(Nc/no)

Ef - Ev = kT ln(Nv/po)

Ec - Ef = kT ln(Nc/Nd)

objective; To determine the required donor impurity concentration

to obtain a specified Fermi energy

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Chapter.4 Carrier Transport

4.1 Drift charge movement due to an electric field

current density J = n e vd

= n e μ E

vd; drift velocity μ; mobility E; electric field

vd = μE, μ= vd/E = Eζ/m*

ζ; mean collision time

resistivityρ = (conductivity σ)-1

V = I R R = ρL/A

Objective; To determine the doping concentration and majority

carrier mobility, given the conductivity of n-type semiconductor

4.2 Diffusion

Jn = eDnΔn Dn; electron diffusion coefficient

total current density

J = enμnE + epμpE + eDnΔn - eDpΔp

그림 4.11

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Graded impurity distribution

Ex = -(kT/eNd(x))dNd(x)/dx

Objective; To determine the induced electric field

in a semiconductor in thermal equilibrium,

given a lineal variation in doping concentration

Einstein relation

kT/e = Dn/μn = Dp/μp

Table 4.2

The Hall effect

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* continuity equations

δn/δt = - (δFn-/δx) + gn - n/ζn

time -dependent diffusion equation

mbipolar transport equation

objective; (1) To determine the time behavior of excess carriers as

a semiconductor returns to thermal equilibrium.

objective; (2) To determine the steady-state spatial dependence of

the excess carrier concentration.

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* Haynes-Shockley Experiment

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Chapter 6 pn Junction

6.1 Structure and energy-band diagram

p-type Semiconductor

n-type semiconductor

majority and minority carrier

space charge region

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built-in potential

Poisson's equation

d2Φ/dx2 = -ρ(x)/ε, E(x) = -dΦ/dx

Space charge width

W = { (2εV/e)[(Na + Nd)/NaNd]}1/2

그림6.6

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6.2 Junction capacitance and one-sided junction

C = ε/W, C = dQ/dV

objective 1; To calculate the junction capacitance

of a pn junction

objective 2; To determine the impurity doping

concentrations in a p+n junction given

the parameters from Fig6.11

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Chapter 7 Diode

7.1 Current-voltage relationship

np = npo exp(eVa/kT), npo = ni2/Na

pn = pno exp(eVa/kT), pno = ni2/Nd

minority carrier distribution

x>xn, δpn(x) = pn(x) - pno, d2δpn/dx

2 - δpn/Lp2 = 0

x<xp, δnp(x) = np(x) - npo, d2δnp/dx

2 - δnp/Ln2 = 0

diode current equation

I = Is[exp(eV/kT) - 1]

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objective; To calculate the electric field required to

produce a given majority carrier drift current.

7.2 small-signal model of the pn junction

그림7.13

conductance gd = dId/dV]v=vQ

resistance rd = (gd)-1 = Vt/IQ

capacitance Cd = (1/2Vt)(Ipoζpo + Inoζno)

transition cap.; 이 역의 dipole에 의한 합 정 용량

diffusion cap.; 이 역 부근의 minority carrier에 의한 정 용량

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objective1; To calculate the small-signal admittance

of a pn junction diode

7.3 Junction breakdown voltage(p+n junction)

Emax = eNdXn/e, Xn ~ [2eVr/eNd]1/2,

VB = eEc2/2eNb

objective2; To design an ideal one-sided n+p junction

diode to meet a breakdown voltage specification.

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7.4 Charge storage and diode transients

storage time ts

ts ~ ζpo ln[1 + IF/IR]

ζpo ; minority carrier lifetime

IF ; forward-bias current

IR ; reverse-bias current

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7.5 pn junction solar cell (태양 지)

발 (luminescence)

1. photoluminescence, 2. 음극선 발 (TV, OSC.) 3. 계발

photolum.

a. 빛의 흡수로 valance band의 자가 conduction band로 여기

b. 격자에 에 지를 주고 conduction band 표면부근으로 이동

c. 재결합(E-H pair)------ 자 방출

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open circuit voltage Voc = Vt ln(1 + Isc/Is)

Vt; kT/e , Isc; short circuit current

power delivered to the load P = IV

conversion efficiency η= ImVm/Pin

변환효율 GaAs; 25%, Si; 17%, amorphous Si; 8~10%

maximum area in the solar cell I-V charac.

참조; 그림 7.31 ~ 7.33

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p-n junction 합제작

* 성장형 합; 결정성장 과정 에 불순물을 용융제에 첨가.

Epitaxial growth

* 합 형 합; 1950 ~ 60년

Ge 시료 에 In; 160oC에서 용융용해체를 형성

In에 Ge를 공 , seed결정

* 확산형 합; diffusion

시료표면의 합부 깊이는 diffusion시간과

온도에 의해 제어

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Chapter8 Metal-Semiconductor contact

정류 합

ohmic 합

work-function(photoelectric effect)

objective1; To calculate the theoretical barrier height,

built-in potential barrier, and maximum electric field in a

metal-semiconductor diode for zero applied bias

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image charge

objective2; To calculate the Schottky barrier lowering and

the position of the maximum barrier height

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homojunction; same semiconductor junction

same energy gap Eg

heterojunction; two different semiconductor junction

optic device GaAs-AlGaAs,

high frequency device

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Triangular potential well → solve by quantum mechanics

Schrodinger equation