반도체 방정식의 재료
TCAD 소자 시뮬레이터는 격자점 하나하나에서 "여기에 전자가 몇 개, 정공이 몇 개 있는가"를 묻는다. 그 답은 전위 하나와 페르미 준위 하나, 그리고 실리콘이라는 재료가 가진 몇 개의 숫자(밴드갭, 상태 밀도, 진성 농도)로 정해진다. 이 장은 그 숫자들과 식을 하나씩 만져 본다. 다음 장의 포아송·연속 방정식은 여기서 만든 재료를 격자 위에 올려놓는 일일 뿐이다.
- 밴드 그림의 \(E_c, E_v, E_i, E_F\)와 정전 전위 \(\psi\), 준페르미 전위 \(\phi_n, \phi_p\)의 관계를 TCAD의 부호 규약으로 말한다.
- 상태 밀도와 페르미-디랙 점유를 곱해 적분하면 \(n = N_c F_{1/2}(\eta)\)가 된다는 것을 수치 적분으로 확인한다.
- 진성 농도 \(n_i(T)\)가 온도에 따라 어떻게 변하는지, TCAD가 300 K에서 왜 1.0×10¹⁰ cm⁻³을 쓰는지 설명한다.
- 도핑과 전하 중성에서 페르미 준위를 구하고, 고농도에서 볼츠만 근사·완전 이온화 가정이 어디서 깨지는지 본다.
- 밴드갭 좁아짐이 실효 진성 농도를 키우는 이유, 비평형에서 페르미 준위가 둘로 갈라지는 이유를 설명한다.
- 시뮬레이터가 노드마다 저장하는 변수 묶음 (ψ, n, p), (ψ, φn, φp), 슬롯붐 변수의 장단점을 비교한다.
이 장의 위치: 물리 모델의 맨 밑바닥
TCAD 흐름은 공정 모사 → 구조·격자 → 물리 모델 → 수치 해 → 소자 특성 → 보정·활용이다. 공정 모사가 넘겨주는 것은 격자점마다의 도핑 농도 \(N_d(x,y), N_a(x,y)\)뿐이다. 소자 시뮬레이터는 여기에 정전 전위 \(\psi\)를 풀어 붙이고, 그 전위에서 전자·정공 농도를 계산한다. 이 "전위 → 농도" 변환이 이 장의 주제다. 이 변환은 포아송 방정식의 우변(전하)을 만들고, 연속 방정식의 미지수를 정하며, 반복 풀이의 야코비안에 들어간다. 한 번의 2D 풀이에서 수백만 번 불리는 함수이므로, 어떤 근사를 쓰느냐가 결과와 수렴을 함께 좌우한다.
TC가 계산한다. 밴드갭 TC.Eg(T), 유효 상태 밀도 TC.Nc·TC.Nv, 진성 농도 TC.ni, 페르미-디랙 적분 TC.fd12, 불완전 이온화 TC.ionFrac, 밴드갭 좁아짐 TC.bgn, 그리고 끝부분에서는 1D 포아송·드리프트-확산 풀이기(TC.poisson1d, TC.ddSolver1d)와 TN-45의 2D 평형 풀이(TC.poisson2d)를 그대로 돌린다. 소자 물리 자체의 자세한 유도는 DeviceBook을 참조한다.
밴드 그림과 정전 전위
반도체의 전자 에너지는 두 개의 띠로 나뉜다. 전자가 자유롭게 움직이는 전도대(Conduction band)의 바닥 \(E_c\)와 정공이 움직이는 가전자대(Valence band)의 꼭대기 \(E_v\) 사이가 밴드갭(Band gap) \(E_g\)다. 실리콘은 300 K에서 약 1.12 eV다. 전자를 결정 밖으로 끌어내는 데 필요한 에너지의 기준이 진공 준위(Vacuum level) \(E_{\mathrm{vac}}\)이고, \(E_{\mathrm{vac}} - E_c\)가 전자 친화도(Electron affinity) \(\chi\)(실리콘 4.05 eV)다.
소자 안에 전위 \(\psi(x)\)가 있으면 전자의 위치 에너지는 \(-q\psi\)만큼 변한다. 그래서 밴드 그림은 전위를 뒤집어 그린 그림이다. 밴드 모양은 그대로 둔 채 통째로 오르내린다. TCAD는 이 전위의 기준을 어디로 잡을지 정해야 하는데, 이 책의 엔진(그리고 많은 교과서와 도구)은 진성 준위(Intrinsic level) \(E_i\)를 기준으로 쓴다.
이 정의에서 볼츠만 근사의 전자·정공 농도는 아주 짧다. 비평형으로 넘어가면 \(E_F\) 대신 전자와 정공의 준페르미 전위 \(\phi_n, \phi_p\)가 들어간다(뒤에서 다룬다).
상태 밀도 × 점유 확률 = 캐리어 농도
전도대에 전자가 몇 개 있는지는 두 가지의 곱으로 정해진다. 에너지 \(E\)에 전자가 들어갈 자리가 얼마나 있는가(상태 밀도(Density of states, DOS) \(g_c(E)\)), 그리고 그 자리가 실제로 차 있을 확률(페르미-디랙 분포(Fermi-Dirac distribution) \(f(E)\))이다. 포물선 밴드라면 상태 밀도는 \(\sqrt{E - E_c}\)에 비례한다.
아래 그림의 왼쪽은 밴드 그림이고 오른쪽은 같은 에너지 축 위에 그린 \(g_c\), \(f\), 그리고 둘의 곱이다. 곱의 넓이가 전자 농도다. 페르미 준위를 위아래로 끌어 본다. 페이지가 이 곱을 직접 수치 적분하고, 그 값을 엔진의 \(\mathcal{F}_{1/2}\) 근사식과 볼츠만 식에 나란히 비교한다.
g(E)·f(E)의 넓이가 n이다
볼츠만 근사는 \(f(E) \approx e^{-(E-E_F)/kT}\)로 바꾼 것이다. 페르미 준위가 밴드 끝에서 몇 kT 이상 떨어져 있으면 두 값은 구분되지 않는다. 그 대가로 \(np = N_cN_v e^{-E_g/kT} = n_i^2\)라는 질량 작용 법칙이 페르미 준위와 무관하게 성립한다. TCAD가 볼츠만 통계를 기본으로 쓰는 이유는 이 단순함이다. 전위의 지수 함수 하나로 농도와 그 미분(야코비안)이 모두 나온다.
진성 농도 ni(T)와 1.0×10¹⁰의 사연
도핑이 없으면 n = p이고 이를 진성 농도(Intrinsic carrier concentration)라 한다. 볼츠만 근사에서
오래된 교과서(Sze 2판 등)에는 300 K 실리콘의 \(n_i\)가 1.45×10¹⁰ cm⁻³으로 나온다. 이후 정밀 측정(Sproul·Green 1991, Misiakos·Tsamakis 1993)이 약 1.0×10¹⁰(9.65×10⁹)을 내놓았고, 그 차이의 상당 부분은 예전 \(N_c, N_v\) 값과 저농도에서도 남아 있는 미세한 밴드갭 좁아짐 처리에서 왔다. 지금의 TCAD 도구와 이 책은 1.0×10¹⁰ 근방을 쓴다. 이 숫자가 중요한 이유는 소수 캐리어 농도 \(n_i^2/N\)과 다이오드 포화 전류가 \(n_i^2\)에 비례하기 때문이다. 1.45배의 차이는 누설 전류에서 2.1배가 된다. 한 가지 덧붙이면, 엔진의 \(N_c, N_v, E_g\)를 위 식에 그대로 넣으면 1.08×10¹⁰이 나와 1.0×10¹⁰보다 8% 크다. 엔진(그리고 여러 TCAD 도구)은 \(n_i\)를 측정값에 맞춰 따로 지정하기 때문이다. 이런 작은 불일치는 모델 매개변수를 섞어 쓸 때 늘 생기므로, 어떤 값이 어떤 값에서 유도됐는지 매개변수 파일에서 확인하는 습관이 필요하다.
아래 그림은 \(n_i\)를 \(1000/T\)에 대해 그린 아레니우스 그림이다. 온도 손잡이를 움직이며 기울기를 읽어 본다.
ni(T) 아레니우스 그림과 밴드갭의 온도 의존
도핑과 전하 중성: 페르미 준위는 어디에 앉는가
도너 \(N_d\)와 억셉터 \(N_a\)를 넣고 전계가 없는 곳(중성 영역)에서는 전하의 합이 0이다. 모두 이온화됐다고 가정하면
중요한 것은 순 도핑 \(N_d - N_a\)다. 억셉터 6×10¹⁸ 위에 도너 5.9×10¹⁸을 넣으면 p형 1×10¹⁷처럼 보인다. 이것이 보상(Compensation)이다. 다만 이동도와 밴드갭 좁아짐은 순 도핑이 아니라 총 도핑 \(N_d + N_a\)를 본다. 그래서 TCAD는 두 도핑을 따로 저장한다(10장).
도핑 → 페르미 준위 → n, p
볼츠만 대 페르미-디랙: 축퇴의 문턱
볼츠만 근사는 \(\eta = (E_F - E_c)/kT\)가 약 −4보다 작을 때 1% 안에서 맞는다. \(\eta=-3\)에서는 페르미-디랙 적분과 비교한 오차가 약 1.7%다. 실리콘에서 \(\eta\approx-4\)는 대략 \(n\lesssim 5\times10^{17}\) cm⁻³에 해당한다. 그보다 높은 농도에서는 상태가 차기 시작해 볼츠만 식이 같은 \(E_F\)에서 전자 수를 과대평가한다. 거꾸로 말하면, 같은 농도를 얻는 데 필요한 \(E_F\)를 너무 낮게 잡는다. TN-45의 소스/드레인(10²⁰ cm⁻³ 이상)과 반전층 표면(10²⁰ 근처)이 정확히 이 영역이다.
TC.fd12가 이 식이다. 수치 풀이기는 적분 대신 이런 닫힌 근사를 쓴다(미분도 닫힌 꼴로 필요하다).볼츠만 근사는 어디서 틀리기 시작하는가
stats: "fd"를 쓸 수 있다. 축퇴 영역이 전류 경로에서 짧은 소스/드레인뿐이라면 볼츠만으로도 단자 특성이 크게 틀리지 않는다. 다만 접합의 내부 전위와 반전층 전하 분포는 달라진다.
불완전 이온화와 동결
도너가 전자를 내놓으려면 \(E_c - E_d\)(인 45 meV, 비소 54 meV)만큼의 에너지가 필요하다. 300 K의 kT(26 meV)는 이보다 작지만 상태 수가 많아 대부분 이온화된다. 온도를 낮추면 전자가 도너에 다시 붙잡혀 농도가 떨어진다. 이것이 동결(Freeze-out)이다. 온도를 높이면 반대로 진성 캐리어가 도핑을 넘어선다. 그 사이의 넓은 평탄 구간이 \(n \approx N_d\)인 외인성 영역(Extrinsic region)이고, 소자는 이 영역에서 동작하도록 설계된다.
TC.ionFrac(N, T, ΔE, g)은 \(n \approx N_d^+\)로 놓고 이차식을 푼다(인 10¹⁷에서 0.96, 10¹⁹에서 0.39). 고농도에서는 도펀트 준위가 서로 겹쳐 띠를 이루고(모트 전이, 약 3×10¹⁸ cm⁻³ 이상) 이온화 에너지가 사라지므로, 실제로는 다시 완전 이온화에 가깝다. 아래 시뮬레이터의 "도핑 의존 ΔE"는 \(\Delta E(N) = \Delta E_0/[1 + (N/3\times10^{18})^2]\)(Altermatt 계열 근사)이다.n 대 1/T: 동결 · 외인성 · 진성 영역
밴드갭 좁아짐과 실효 진성 농도
도핑이 10¹⁸ cm⁻³을 넘으면 도펀트 이온의 무작위 퍼텐셜, 캐리어끼리의 교환·상관 에너지 때문에 밴드 끝이 갭 안쪽으로 내려온다. 이것이 밴드갭 좁아짐(Bandgap narrowing, BGN)이다. TCAD는 이를 밴드 구조로 직접 계산하지 않고, 실효 진성 농도 \(n_{i,\mathrm{eff}}\)에 넣는다.
BGN이 다수 캐리어 농도에는 거의 영향이 없다(전하 중성이 n ≈ N을 고정한다). 영향을 받는 것은 소수 캐리어다. \(p_0 = n_{i,\mathrm{eff}}^2/N\)이므로 10²⁰ 영역에서 소수 캐리어가 \(e^{\Delta E_g/kT}\), 약 35배 많아진다. 바이폴라 에미터의 주입 효율과 고농도 접합의 누설이 이 숫자에 달려 있다.
도핑에 따른 ΔEg와 ni,eff
준페르미 준위: 비평형에서 EF가 둘로 갈라진다
평형에서는 \(np = n_i^2\)다. 빛을 쬐거나 접합에 순방향 전압을 걸어 캐리어를 주입하면 n과 p가 동시에 많아지고, 하나의 페르미 준위로는 둘을 함께 설명할 수 없다. 그래서 전자와 정공에 각각 준페르미 준위(Quasi-Fermi level) \(E_{Fn} = -q\phi_n\), \(E_{Fp} = -q\phi_p\)를 준다. 전자끼리, 정공끼리는 피코초 안에 각자의 열평형에 이르지만, 전자와 정공 사이의 평형(재결합)은 나노~마이크로초가 걸리기 때문에 이 그림이 성립한다.
아래는 엔진의 1D 드리프트-확산 풀이기(뉴턴, 샤페터-거멜)로 pn 다이오드를 순방향으로 푼 결과다. 위는 밴드 그림, 아래는 n, p와 \(np/n_i^2\)다. 전압을 올리며 두 준페르미 준위가 공핍 영역을 가로질러 거의 평평하게 Va만큼 벌어지는지 본다.
순방향 pn 접합의 준페르미 준위 (1D 드리프트-확산 풀이)
노드가 저장하는 것: 변수 선택과 스케일링
지금까지의 식을 모으면, 격자점 하나의 상태는 세 개의 숫자로 완전히 정해진다. 무엇을 그 세 숫자로 고르느냐가 풀이기의 성격을 바꾼다.
| 변수 묶음 | n, p 계산 | 장점 | 약점 | 쓰는 곳 |
|---|---|---|---|---|
| (ψ, n, p) | 그대로 | 연속 방정식이 n, p에 선형. 샤페터-거멜 전류와 잘 맞는다 | n, p가 수십 자릿수에 걸쳐 있다(음수가 되지 않게 보호해야 한다) | 상용 도구의 결합 뉴턴, 이 책의 1D·2D DD |
| (ψ, φn, φp) | \(n_i e^{(\psi-\phi_n)/V_t}\) | 값의 범위가 인가 전압 정도로 작다. 양수가 자동 보장 | 전류가 \(n\nabla\phi_n\)이라 비선형이 강하다. 캐리어가 거의 없는 곳에서 φ가 정해지지 않는다 | 준페르미 해석, 일부 도구의 선택지 |
| 슬롯붐 (ψ, u, v) | \(n = n_i e^{\psi/V_t} u\), \(u = e^{-\phi_n/V_t}\) | 연속 방정식이 u에 대해 선형·자기수반이 된다(거멜 반복에 유리) | u, v가 \(e^{V/V_t}\)로 커져 수십 V 넘는 바이어스에서 배정밀도가 넘친다 | 거멜 반복, 초기 단계 풀이 |
또 하나의 문제는 스케일이다. 실리콘 안의 농도는 공핍 영역의 소수 캐리어 10⁰ 근처(저온에서는 10⁻²⁰ 아래)에서 소스/드레인의 10²¹까지 걸쳐 있고, 전위는 수 V, 위치는 nm다. 그대로 행렬에 넣으면 원소 크기가 10⁴⁰배 차이 나 풀이가 망가진다. 그래서 TCAD는 전위를 \(V_t\)로, 농도를 기준 농도(최대 도핑 또는 \(n_i\))로, 길이를 디바이 길이로 나눈 무차원 변수로 바꾸고, 행마다 크기를 맞추는 평형화((Row scaling))를 더한다.
아래 시뮬레이터는 pn 다이오드(10¹⁷/10¹⁷)를 역방향으로 깊게 걸며 세 변수 묶음이 노드에 저장할 값을 그린다. 각 묶음의 "동적 범위"를 읽어 본다.
같은 해, 세 가지 저장 방식
TN-45의 재료: 소스/드레인과 채널을 가로지르는 단면
이제 이 장의 재료를 모두 한 단면에 올린다. 위 그림은 TN-45의 해석식 도핑을 2D 격자(normal, 2009 노드)에 올린 것이다. 수평 단면선을 끌어 깊이를 정하면, 페이지가 그 선 위의 도핑 \(N_d - N_a\)를 따라 1D 비선형 포아송 방정식(평형, 게이트 없음)을 뉴턴으로 푼다. 통계(볼츠만/페르미-디랙)와 밴드갭 좁아짐을 각각 켜고 끄며 밴드 그림이 어떻게 달라지는지 본다. 지도를 "전자 n"이나 "정공 p"로 바꾸면 게이트와 산화막까지 포함한 2D 평형 해(TC.poisson2d)를 한 번 풀어 보여 준다.
TN-45 가로 단면의 밴드 그림: 통계와 BGN 비교
채널은 볼츠만으로 충분하고, 소스/드레인은 그렇지 않다
공정 레시피(TC.tn45Process)가 만든 채널 중앙의 붕소는 표면 5.6×10¹⁸, 깊이 12 nm 정점 6.3×10¹⁸ cm⁻³이다. 대표값 p = 6×10¹⁸에서 엔진 계산은 다음과 같다. E_F − E_i = −0.523 eV(φ_F ≈ 0.52 V), E_F − E_v = 42.5 meV(볼츠만) 대 40.7 meV(페르미-디랙)로 차이는 2 meV뿐이다. 전자는 n = n_i²/p ≈ 17 cm⁻³이고, 밴드갭 좁아짐(ΔE_g = 54 meV, n_i,eff = 2.8×10¹⁰)을 넣으면 약 130 cm⁻³으로 늘어난다. 단순 이온화 모델은 300 K에서 붕소 38%만 이온화된다고 말하지만 모트 전이를 넣으면 거의 완전 이온화다. 깊은 소스/드레인 n⁺ 2×10²⁰에서는 사정이 다르다. E_F가 E_c 위에 있고(볼츠만 50 meV, 페르미-디랙 109 meV), 같은 E_F를 볼츠만 식에 넣으면 전자가 9.8배로 계산된다. 밴드갭 좁아짐은 10²⁰에서 0.092 eV, 2×10²⁰에서 0.102 eV다. 위 단면 시뮬레이터에서 깊이 10 nm의 소스-채널 장벽은 볼츠만 1.151 eV, 페르미-디랙 1.225 eV, 페르미-디랙+BGN 1.167 eV로 계산된다.
핵심 정리
- TCAD의 정전 전위 ψ는 진성 준위를 기준으로 잡는다(\(E_i = -q\psi\), 평형 \(E_F\) = 0). 밴드는 −qψ를 따라 통째로 휘고, 재질이 바뀌는 곳에서만 χ·E_g 차이로 계단이 생긴다.
- 캐리어 농도는 상태 밀도와 점유 확률의 곱의 적분, \(n = N_c\mathcal{F}_{1/2}(\eta)\)다. 볼츠만 근사 \(n = n_i e^{(\psi-\phi_n)/V_t}\)는 η < −4 정도에서 1% 안에 들며, 실리콘에서 약 5×10¹⁷ cm⁻³ 위에서는 오차가 커져 E_F를 낮게 잡는다.
- \(n_i\)는 \(e^{-E_g(T)/2kT}\)로 변하며 100 K마다 수백 배다. 현재 TCAD는 300 K에서 약 1.0×10¹⁰을 쓰고, 옛 값 1.45×10¹⁰은 누설 전류를 2배 넘게 바꾼다.
- 전하 중성이 페르미 준위를 정한다. 순 도핑이 위치를, 총 도핑이 이동도와 BGN을 정한다. 고농도에서 단순 불완전 이온화 모델은 모트 전이를 무시해 틀리므로, 실온 실리콘 TCAD는 보통 완전 이온화를 쓴다.
- 밴드갭 좁아짐은 \(n_{i,\mathrm{eff}} = n_i e^{\Delta E_g/2kT}\)로 들어가 소수 캐리어를 키운다(10²⁰에서 ΔE_g ≈ 0.09 eV, 약 35배). 겉보기 BGN 모델은 볼츠만 통계와 짝이다.
- 비평형에서는 준페르미 전위 φn, φp가 갈라지고 \(np = n_i^2 e^{(\phi_p-\phi_n)/V_t}\), 전류는 \(-q\mu n\nabla\phi_n\)이다.
- 노드 변수는 (ψ, n, p), (ψ, φn, φp), 슬롯붐 (ψ, u, v) 중에서 고른다. 농도의 수십 자릿수 범위와 슬롯붐 변수의 넘침 때문에 무차원화·행 스케일링이 필수다.
확인 퀴즈
n형 중성 영역에서 도핑을 10¹⁷에서 10¹⁸ cm⁻³으로 열 배 올렸다(300 K, 볼츠만, 완전 이온화). 이 책의 부호 규약에서 정전 전위 ψ는 어떻게 변하는가?
2×10²⁰ cm⁻³ 비소 소스/드레인에서 볼츠만 통계와 페르미-디랙 통계를 비교했다. 중성 영역에서 옳은 설명은?
밴드갭 좁아짐을 켰더니 10²⁰ cm⁻³ n⁺ 영역의 무엇이 가장 크게 바뀌는가?
거멜 반복에서 슬롯붐 변수 u = e^{−φn/Vt}를 쓰는 풀이기가 −25 V 역방향 바이어스에서 갑자기 NaN을 낸다. 가장 그럴듯한 원인은?