읽고 기록하는 삶

CHAPTER 3 ​ Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.4.2 Extension to Semiconductors 지난 글에서 우리는 3차원 상의 자유 전자(Free Electron)가 무한 전위 우물(Infinite potential well)에 존재한다고 가정할 때, 상태 밀도 함수(Density Of states Functions)에 대한 일반적인 표현에 대해 알아보았습니다. 오늘은 개념을 조금 더 확장하여 반도체에 존재하는 자유 전자의 상태 밀도 함수에 대해 알아보겠습니다. 간단합니다. 반도체 내에서 거동하는 전자의 유효 질량(Effective Mass)과 전자가 존재할 수 있는 허용 에너지 구간을 고려하면 됩니다. 즉, 우리가 앞서 살펴봤던 식(3..

CHAPTER 3 ​ Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.4 Density Of States Function 지금까지 우리는 에너지 밴드의 정의와 형성되는 원리, 그리고 에너지 밴드 구조에 따른 전기적 특성에 대해 알아봤습니다. 이전에도 언급하였듯이, 우리는 반도체 소자의 전류-전압 특성(Current-Voltage Characteristic)을 아는 것이 목표입니다. 그렇기 때문에 전류 특성을 파악하기 위해 Carrier(Electron or Hole)의 거동을 파악하는 것이 매우 중요합니다. 오늘은 Carrier의 거동을 파악하기 위해 필요한 상태밀도함수(Density of States Function)에 대해 알아보겠습니다. 상태밀도함수(Density..

CHAPTER 3 ​ Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.2.5 Metals, Insulators, and Semiconductors 지난 글에서 우리는 전자와 정공에 대한 유효 질량에 대한 정의에 대해 알아보았습니다. 오늘은 도체, 부도체, 반도체에 대한 각 에너지 밴드를 통해 물질의 전기적 특성이 어떤 차이점에 의해 변하는지 알아보겠습니다. 모든 결정(Crystal)들은 고유의 에너지 밴드 구조를 가집니다. Chapter 3.1에서 실리콘 결정의 에너지 밴드 형성에 대해 간단하게 다뤘지만, 실제 에너지 밴드의 형성 과정은 매우 복잡합니다. 여러 다른 원자들로 구성된 결정(Crystal)의 경우, 해당 원자에 대한 전기적 특성이나 밴드 구조를 알아야 되기..

CHAPTER 3 Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.2.4 Concept of the Hole 지난 글에서 유효 질량(Effective Mass)에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 정공(Hole)의 정의와 정공(Hole)의 이동에 따른 전류에 대해 알아보겠습니다. 이전에 에너지 밴드 모델과 결합 모델을 다룰 때, Figure 3.17과 비슷하게 모델링 했던 거 기억 하시나요? Figure 3.13a가 전자(electron) 관점에서의 모델링이라면 아래의 사진은 정공(Hole) 관점에서의 모델링입니다. 즉, T > 0K일 때, 가전자대(Valence Band)에서 충분한 에너지를 받은 전자가 전도대(Conduction band)로 여기하게 되면, 전자가..

CHAPTER 3 ​ Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.2.3 Electron Effective Mass 지금까지 우리는 전자가 자유 공간 내에 존재한다고 가정하고 논리를 전개하며 학습하였습니다. 그러나, 대부분의 경우에 전자는 주변 환경의 영향을 받고 있는데요. 오늘은 관련 개념인 유효 질량(Effective Mass)을 다뤄보겠습니다. 전자(Electron)는 주변 환경의 영향을 받고 있습니다. 외부에서 가해지는 다양한 외력 뿐만 아니라, 결정(Crystal) 내의 양이온이나 중성자들도 전하에 영향을 주기 때문입니다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같습니다. 위의 식 (3.36)은 결정(Crystal) 내의 전자가 받는 힘을 표현한 것입니다. 즉, 전..

CHAPTER 3 Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.2.2 Drift Current 지난 글에서는 외부 에너지를 받아 가전자대(Valence Band)에서 전도대(Conduction Band)로 여기된 전자에 대해 표현해봤습니다. 오늘은 그러한 전자의 움직임으로 인해 발생하는 전류(Current)에 대해 알아보겠습니다. (Chapter 5에서 전자의 이동 메커니즘에 따라 표류 전류(Drift Current)와 확산 전류(Diffusion Current)로 분류해 포스팅하겠습니다. 교재의 목차대로 구성한 것이오니, 표류 전류(Drift Current)에 대해 자세한 내용은 Chapter 5.1.1 참조 부탁드립니다.) 전류(Current)란 무엇일까요? 전..

CHAPTER 3 ​ Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.2 Electrical Conduction in Solids 지난 글에서 에너지 밴드에 대해서 알아봤습니다. 에너지 밴드를 통해서 쉽게 반도체 소자의 전류-전압 특성을 기술할 수 있다고 했었죠?이번 글에서는 에너지 밴드(The Energy Bond)와 원자가 결합 이론(The Bond Model)에 대해 알아보겠습니다. 3.2.1 The Energy Band and the Bond Model 다음 그림을 보면서 같은 물리적 현상에 대해 기존의 원자가 결합 이론보다 에너지 밴드가 더 쉽게 표현됨을 알아보겠습니다. Figure 3.12는 T=0K 일 때, 실리콘 원자의 공유 결합을 2차원 상에서 표현한 ..

CHAPTER 3 ​ Introduction to The Quantum Theory of Solids 3.0 Preview 우리는 지금까지 Chapter 1, Chapter 2를 통해 전자에 대해 기술하는 여러 방법에 대해 알아보았습니다. 슈뢰딩거의 파동 방정식을 다양한 조건에서 풀어보며 Particle의 에너지가 양자화(Quantization)되어 있음을 알았습니다. Chapter 3에서는 앞서 다룬 내용을 기반으로 Crystal Lattice 내의 무수히 많은 전자들에 대해 다뤄볼 것입니다. 이번 챕터를 마치게 되면 우리는 Crystal Lattice 내에서의 전자들의 특성을 알 수 있고, 통계적 방법을 통해 전자를 표현할 수 있을 것입니다. 3.1.1 Formation of Energy Bands ..

CHAPTER 2 ​ Introduction to Quantum Mechanics 2.3.3 The Step Potential Function 지난 글에서는 무한 전위 우물(The Infinite Potential Well)에 대해서 알아보았는데요. 오늘은 아래의 Figure 2.8에 대한 문제에 대해 풀어보겠습니다. 이 문제를 풀면서 터널링에 대한 개념도 함께 알아보겠습니다! 이전과는 달리, RegionⅠ에서 RegionⅡ를 지나는 입자의 거동에 대한 문제입니다. 주어진 상황만 달라졌을뿐, 접근 방법은 동일합니다. 즉, time-independent wave equation를 각 영역에서 풀면 됩니다. 1) Region Ⅰ Region Ⅰ에서 V=0이므로 파동 방정식은 다음과 같이 정리할 수 있습니다...

CHAPTER 2 ​ Introduction to Quantum Mechanics 2.3.2 The Infinite Potential Well 지난 포스트에선 모든 위치에서 Potential Function이 유한한 경우에 대해 살펴보았습니다. 오늘은 특정 위치에서 Potential Function이 무한한 경우에 대해 알아보겠습니다. 다음 그림을 보시죠. Figure 2.6에서 볼 수 있듯이, RegionⅠ과 RegionⅢ에서 Potential Function이 무한합니다. 이 때, 입자는 RegionⅡ에 있다고 가정하겠습니다. 즉, 유한한 공간 내 입자가 구속되어 있는 문제에 대해 생각해보겠다는 것입니다. 저희는 이전 포스트를 통해 슈뢰딩거의 파동 방정식이 다음과 같은 것을 알고 있습니다. 이 때, ..