Donor와 acceptor, 그리고 Fermi level의 변화에 대해서 설명해보세요.
[도너(donor)]
주개(주는 것이라는 뜻) 또는 공여체라고도 하는데, 모체 원자보다 원자가가 큰 불순물 원자를 말한다. 규소 결정 속의 인, 비소, 안티몬 등이나 결정 속에 음이온이 있어야 할 격자점이 비어 있는 것을 말한다.
단순히 반도체를 n형으로 하기 위하여 가하는 불순물을 가리킬 때도 있다. 원자가 전자를 1원자당 4개 가진 게르마늄, 규소 등으로 된 순수(진성) 반도체에 도너로서 5개의 원자가 전자를 가진 인, 비소를 미량 첨가한 결정은 불순물 원자 1개당 전자 1개가 상온에서 자유 전자가 되어 n형 반도체로 된다.
[어셉터(accepter)]
산·염기 반응 또는 산화·환원 반응에서 상대로부터 전자를 공급 받는 물질. 또 전자 도너(리간드라고도 한다)와 배위결합을 만드는 원자, 분자 또는 이온으로서, 이들은 전자가 결핍되어 있기 때문에 전자 도너에서 전자가 공여된다.
예를 들면 [Co(NH3)6]+++의 착화합물에서 코발드 이온은 억셉터이고 암모니아는 전자 도너이다. 쉽게 말하면 반도체 내에 있어서 정공(正攻)의 공급원, 이를 테면 전자를 받아들일 수 있는 상태에 있는 불순물 원자를 말한다. Si, Ge 중의 B는 그의 예이다.
[페르미 에너지 (Fermi Energy) 또는 페르미 준위 (Fermi Level) : EF]
- 열 평형상태 하의 양자 에너지 상태들이 전자에 의해 점유될 확률(페르미 분포함수)이 1/2 이 되는 에너지 준위
- 페르미 입자 계(系)의 바닥상태로부터 채워지는 가장 높은 에너지준위
- 과학자 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954)는 반도체 등 고체에서 전하입자(전자,홀)의 존재를 에너지에 대한 분포 확률로 통계역학적 방법으로 제시하였다.(1926)
[온도에 따른 페르미 준위 및 전자의 점유확률]
- T = 0˚K
- 0 ~ EF까지 모든 에너지 상태가 전자들에 의해 점유됨
- 그 이상의 에너지 상태에서는 전자가 비어있게 됨
T > 0˚K
- 0˚K 이상의 온도에서 EF 이상의 에너지 상태들에 대해서는 전자들로
충만 될 어떤 확률 f(E) (E > EF) 이 있게 되며,
- EF 이하의 에너지 상태들에 대해서는 전자들이 비어있을 어떤 확률이
1 - f(E) (E < EF) 이 있게 됨
[페르미 준위의 특징]
- 이용 가능한 `전자` 농도 및 `양자 에너지 상태`에 의해 결정됨
[반도체 도핑에 따른 페르미 준위의 변동]
- 도핑(종류,농도)에 따라 페르미 준위는 변하게 됨
- 도핑 농도에 따른 페르미 에너지 준위 식
- (n형 반도체) Ef = Ec - kT ln Nc/Nd
- (p형 반도체) Ef = Ev + kT ln Nv/Na
[열평형 상태에서 페르미 준위는 일정함]
- 단일 소자(반도체 접합 부분 포함)가 열평형 상태(전류 흐름이 없음)에 있을 경우
- 밴드갭, 페르미준위는 전체 접합 소자에서 일정함
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