3장 광자와 과잉캐리어, 3-1 광흡수

목표

1. 광흡수에 의해 생성된 과잉캐리어가 광루미네선스로 나타나거나 광전도도를 변화시키는 원리를 알아본다

2. 반도체가 과도상태, 과잉상태일 때의 캐리어의 거동을 알아본다

3. 반도체에서의 재결합 메커니즘과 정상상태에서의 의사페르미 준위에 대한 개념을 이해한다.

4. 반도체내 과잉캐리어의 음직임, 즉 확산과 표동에 의한 전류의 생성과 전류 생성 메커니즘에 의해 반도체가 다양한 광전자소자 및 집적소자에 적용되는 것을 이해한다.

광루미네선스 : 들뜬 전자가 재결합하면서 광을 방출하는 것

 

1. 광흡수

광에너지가 반도체에 가해지면 광에너지와 Eg(갭에너지)와의 관계에 따라 3가지로 현상이 나뉜다.

• hv < Eg 인 경우 빛은 반도체를 투과한다.
• hv > Eg인 경우 반도체가 빛을 흡수하기 시자하며, 흡수는 반도체의 전박적인 부분에서 발생
• hv >> Eg인 경우 반도체의 표면에서만 빛의 흡수가 일어난다.

여기서 빛의 흡수가 일어난다는 것은 전자가 전도대를 넘어 이동한다는 것을 말한다. 

※ 그럼 만약 hv =Eg라면 어떻게 될까? 딱 전자가 전도대로 이동하는 만큼의 에너지를 가해주기 때문에 전자의 뜰듬과 재결합의 평형이 일어날 것이다.

 

1.1  람베르트-베르의 관계식

람베르트-베르의 관계식은 빛의 세기가 Io인 빛을 반도체표 표면에 입사했을 때, 반도체 표면으로부터 거리 x에 따른 빛의 세기 I를 나타낸 것이다. 이 관계식을 통해 (투과된)빛의세기(I), 흡수계수( α ), 거리의 관계(x)를 파악가능하다.

람베르트-베르 관계식 : I(x) = Io*e^(-α*x)

흡수계수  : 물질상수로서 물질이 빛을 잘 흡수할 수록 높다. 투과도와 트레이드오프관계

 

두께가 d인 반도체 시료에 대한 투과 빛의 세기를 It라고 하면 It = Io*e^(- αd)가 된다. 이를 이용하여 투과도와 흡수계수를 나타내면 다음과 같다.

투과도 T(λ) = It/Io = e^(- α*d)

흡수계수 α = ln[T( λ)]/d

 

1.2 루미네선스(PL,CL,EL)

 1.2.1 광발광(PL, PhotoLuminescence)

•   광에너지와 파장의 관계
  E = hv = hc/ λ,  E λ = hc = 6.63 * 10^(-34)[J*s] * 3*10^8[m/s] = 12396.44[eV][Å] 
  ※h(플랑크상수) = 6.63 * 10^(-34)[J*s], c(빛의 속도) = 3*10^8[m/s]
  E λ = hc = 12396.44[eV][Å] 값은 h와 c 모두 상수이기에 변하지 않는 일정한값이다. 즉, 광에너지와 파장은 반비례관계임을 알 수 있다.

 

•   Eg의 결정
  Eg는 광에너지와 흡수계수 그래프를 통해 구할 수 있다. 그림과 같이 이상적인 경우에는 명확하게 Eg를 얻기 쉽지만, 실제로는 광에너지가 증가함에따라 흡수계수가 증가하는 의존성을 보여주기 때문에 외삽을 통해 근사적으로 결정해야한다.

인광 vs 형광
인광 : 포획 및 열적 재여기 (간접 재결합)과정, 여기(들뜸) 정지 후 수초~수분 지속(최대 몇시간)
형광 : 직접재결합 과정, 여기(들뜸) 정지 후 10^(-8)초 지속

 

직접 vs 간접 재결합
직접재결합 : 여기된 전자가 불순물 전위를 거치지 않고 전도대에서 가전자대로 이동하는 것
간접재결합 : 전자가 재결합 되는 과정에서 순수불순물이나 격자결합으로 인한 포획중심 또는 재결합중심(깊은 준위)을 거쳐감 

 

깊은 준위 vs 근접 준위
근접 준위 : 3족,5족과 같이 도핑불순물의 주입으로 인해 생긴 에너지 준위로 보통 가전자대나 전도대 근처에 위치
깊은 준위 : Au, Zn, Cu와 같은 순수불순물 주입으로 인해 생긴 에너지 준위로 보통 에너지 밴드갭 중앙에 위치

 

1.2.2 음극선발광(CL,CathodoLuminescence)

  전자를 형광체에 가속 충돌시켜 발광시킴

 

1.2.3 전계발과(EL) >> 메커니즘에 따라 진성EL, 전하 주입형EL, 광 EL로 나뉨

• 진성 EL : 두 전극판 사이에 형광체를 끼고 교류 전기장을 걸어 발광시킴
• 전하 주입형 EL : LED가 이에 속함. pn접합에 절류를 흘리면 발광, 변환 효율이 매우 좋음
• 광 EL : 형광, 인광이 전기장의 영향에 의해 증감되는 현상

 1.2.4 광도전체  >> 빛에 노출될 때 비저항(전도도)이 변하는 소자의 총칭

  광도전체 고를 때 고려 해야 할 사항들

• 감응파장범위 : Eg보다 에너지가 높은 빛의 파장?, 재료마다 Eg가 다르기에 적절한 재료를 고르는 것이 중요
• 짧은 응답시간 : 들뜬 전자가 재결합 되지 않고 전극으로 이동하는 것. 즉 재결합시간이 오래걸리는 것, 따라서 캐리어 수명(τ,감쇄상수)과 이동도(전극으로 이동,μ)가 큰 것이 좋음.
• 흡수계수가 큰 재료 : 흡수가 되어야 캐리어가 생기니까
• 암저항이 큰 재료 : 빛에 대한 민감도가 큰 재료. 빛이 있을때 전도도가 높은 재료

 3-1 광흡수 파트 핵심정리

• 입사된 빛의 세기 Io가 반도체 표면에 입사되면 표면으로부터 거리 x에 따른 빛의 세기는 람베르트-베르의 관계식 
  I = Io*e^(-αx)를 따른다
• 반도체에서 나오는 광에너지는 일반적으로 에너지 밴드갭만큼의 에너지와 대응하며, 광에너지와 파장 사이의 관계는 Eg*λ =12396.44[eV][Å]이다. 이는 상수값
• 과잉캐리어는 평형상태를 유지하기 위해 재결합하며, 이때 광을 발출하는 것을 루미네선스라 한다. 루미네선스는 과잉캐리어의 생성 기구에 따라 광발광, 음극선발광, 전계발광으로 분류한다.
• 반도체의 광도전체를 선택할 때는 감응파장범위, 응답시간, 흡수계수, 암저항등을 고려해야한다.