개요
- 진성 캐리어들은 전도에 참여하는 전자와 정공들이다.
- 이들 캐리어들의 농도는 온도와 재료의 밴드갭에 따라 결정되는데, 따라서 재료의 전도 도에 영향을 미친다.
- 진성 캐리어의 농도를 알면 태양전지의 효율을 이해할 수 있고, 그리고 어떻게 효율을 극대화 할 수 있을지 알게 된다.
가전자대로부터 전도대로 하나의 캐리어가 열에너지에 의해 여기(excitation)되면 두 개의 밴드 모두에 자유 캐리어들이 생성된다. 이들 캐리어들의 농도를 진성 캐리어 농도라 하고 ni로 표기한다. 캐리어 농도를 바꾸기 위해 불순물을 추가하지 않은 반도체 재료를 진성 재 료라 한다. 진성 캐리어 농도는 전도대에 있는 전자들의 개수이거나 혹은 가전자대에 있는 정공의 개수이다. 이 캐리어 개수는 재료의 밴드갭과 온도에 의존한다. 밴드갭이 크면 밴드 갭을 가로질러 캐리어가 여기(excitation)되기 더 어렵고, 따라서 밴드갭이 더 큰 재료일수 록 진성 캐리어 농도가 더 낮다. 대안으로 온도를 올리면 전자들이 전도대로 여기되는 것이 더 쉬워지고, 따라서 진성 캐리어 농도가 올라간다.
2개의 온도에서 반도체 내에서의 진성 캐리어 농도. 2가지 모두의 경우에서 전자의 개수와 정공의 개수는 동일하다. 도핑하지 않은(진성) 실리콘은 전자산업에서 거의 사용되지 않고, 대부분의 소자 제조의 경우 항상 도핑된 것을 사용한다.
1) 절대 0도에서는 어떤 캐리어들도 가전자대에서 전도대로 이전할 수 있는 충분한 에너지를 가지지 못해서 자유 캐리어는 없고 재료는 절연체이다.
2) 온도가 올라가면 일부 전자들이 전도대에 도달할 수 있는 충분한 에너지를 갖는다. 그 결과 열적으로 전자-정공(e-h) 쌍이 생성된다. 캐리어들은 자유롭게 움직일 수 있고 그리고 재료는 전기적으로 약간의 전도성을 가지게 된다.
3) 더 높은 온도에서는 더 많은 e-h 쌍이 생성되어 전도도가 더 증가하게 된다. 그러나 실온에서도 열에 의해 생성된 e-h 쌍의 개수는 극히 적고 전도도는 매우 낮다.
온도에 따른 실리콘의 진성 캐리어 농도 (Intrinsic Carrier Concentration of Silicon as a Function of Temperature)
실리콘에서의 진성 캐리어 농도의 정확한 값은 모델링에서의 중요성 때문에 매우 광범위하 게 연구되었다. 300 K에서 일반적으로 받아드려지고 있는 실리콘의 진성 캐리어 농도는 Altermatt가 측정한 것으로, ni는 ni, is 9.65 x 109 cm-3 인데 Altermatt1, 이는 Sproul2. 이 제시한 이전에 값을 갱신한 것이다. 실리콘에서 온도에 다른 진성 캐리어농도의 식은 Misiakos가 제시l한 것이다 Misiakos3:
Atermatt와 Misiakos가 제시한 값의 작은 차이는 실험상의 오차 범위에 있다. 통상 진성 캐 리어 농도는 온도 300 K의 경우이지만, 태양전지는 보통 25°C에서 측정하는데, 이 때 진성 캐리어 농도는 8.6 x 109 cm-3 이다.
- 1. , “Reassessment of the intrinsic carrier density in crystalline silicon in view of band-gap narrowing”, Journal of Applied Physics, vol 93, 호 3, p 1598, 2003.
- 2. , “Improved value for the silicon intrinsic carrier concentration from 275 to 375 K”, Journal of Applied Physics, vol 70, pp 846-854, 1991.
- 3. , “Accurate measurements of the silicon intrinsic carrier density from 78 to 340 K”, Journal of Applied Physics, vol 74, 호 5, p 3293, 1993.
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