반도체에서 열적평형(Thermal equilibrium)

안녕하세요.

균짱짱입니다.

오늘은 반도체에서의 열적 평형에 대해 알아볼게요.

 

목차

1. 열적평형 2. 반도체에서의 열적평형

 

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1. 열적평형

반도체에서의 열적평형을 알아보기 전에,

열적평형이 뭔지부터 알아야겠죠?

 

열적평형은 열역학 제 0법칙을 따르는 상태입니다.

그리고 이 상태는,

'시간이 지남에 따라 관찰 가능한 상태(거시 상태)에 변화가 없고 흐름이 발생하지 않는다.'로 정의 됩니다.

열역학적으로는 엔트로피가 극대인 상태를 말하구요,

통계역학적으로는 분자의 평균 운동에너지가 같게 된 상태입니다.

 

즉, 압력이 같고 온도가 같으며 화학적으로 안정된 상태를 일컫습니다.

평형

다만, 이 안정된 상태의 의미가 '물질에 아무 변화가 없다'라는 것이 아니라,

관찰 상태에 변화가 없음을 의미합니다.

 

예를 들어서, 1에 1을 더하면 1이 2가 되어야 하지만

1에 1을 더하고 다시 1을 빼면 여전히 1로 보이는,

쉽게 말하면 그런 느낌인거죠.

 

실생화에서 열적평형을 이용한 예로,

온도계가 있습니다.

물체의 온도를 재기 위해 온도계(수은 온도계)를 가져다 대면

수은의 상태가 변화하고 어느 순간 열적평형을 이루어서 특정 온도를 가리키게 되는거죠.

수은 온도계

 

 

2. 반도체에서의 열적평형

진성반도체에서의 열적 평형은 이온화율과 재결합율이 일치해야 합니다.

즉, 전자와 정공의 농도가 일정한 상태이죠.

이온화와 재결합이 이루어지지 않는 상태는 아니구요,

이온화하는 속도와 재결합 하는 속도가 같아져서 관측상 변화가 없는것처럼 보이는 상태에요.

 

 

Rate of ionization = Rate of recombination

 

 

참고로, 진성반도체에서는 전자와 정공이 쌍으로 발생합니다.

전자가 빠져나가야 정공이 발생할 수 있기 때문이죠.

전자와 정공은 쌍으로 발생

 

그리고 진성반도체에서 전자와 정공의 농도는 물질의 종류와 온도에 따라 변화하는데,

절대온도에 비례해요.

 

 

불순물 반도체(낮은 수준의 도핑)가 열적평형 상태에 있을 때의 관계는 아래와 같아요.

도핑된 반도체의 열적평형