전자의 이동도란 무엇일까요?
반송자는 크게 두 가지 동력에 의해 움직입니다. 바로 표동(drift)과 확산(diffusion)입니다.
표동은 전기장에 의해 휩쓸려 이동하는 현상이고,
확산은 농도 차이, 즉 부피당 입자 수의 차이에 의해 이동하는 현상이지요.
전자의 경우, 다음과 같은 식으로 표동 전류를 표현할 수 있었습니다.
J = n q v
이 식에서 알 수 있듯이, 표동 전류는 전자의 속도에 비례합니다.
그리고 이 속도는 우리가 가해주는 전기장의 크기에 따라 달라집니다.
즉, 전자의 속도는 전기장과 비례 관계를 가지며 다음과 같이 표현됩니다.
v = μ E
여기서 μ(뮤)는 전자의 속도와 전기장 사이의 비례 관계를 나타내는 상수이며,
이를 전자의 이동도(mobility)라고 합니다.
전자의 이동도는 반도체 종류에 따라 달라지는 물질의 고유한 특성입니다.
다만, 같은 물질이라 하더라도
어떤 공정으로 제작되었는지, 두께가 얼마인지 등에 따라
이동도 값은 조금씩 달라질 수 있습니다.
여기서 중요한 점은,
이동도는 단순히 전자의 속도를 의미하는 것이 아니라
전기장의 변화에 따라 속도가 얼마나 크게 변하는지를 나타내는 ‘민감도’라는 점입니다.
정공(hole)의 이동도 역시 같은 방식으로 정의할 수 있어요.
이동도가 높은 물질은 작은 전기장에서도
전자가 빠르게 높은 속도에 도달할 수 있습니다.
즉, 이동도가 높은 반도체로 소자를 만들면
같은 전압에서도 더 큰 전류를 흐르게 할 수 있습니다.
반대로 말하면,
같은 전류를 얻기 위해 더 낮은 전압을 사용할 수 있기 때문에
저전력 응용에 유리한 특성을 갖게 됩니다.
실제로 반도체 소자에서는 이동도가 매우 중요한 설계 요소로 작용합니다.
예를 들어, 이동도가 높은 물질을 사용할수록 낮은 전압에서 높은 전류 수준을 얻을 수 있고,
높은 전류를 흘릴 수 있는 능력은 반도체 소자의 동작 속도를 높일 수 있게 해줍니다.
또한, 동일한 성능을 유지할 때, 더 낮은 전압으로도 구동이 가능해지므로
전력 소모를 줄일 수 있게 되지요.
이러한 이유로 반도체 소자와 공정에서는 이동도를 향상시키기 위한
다양한 기술들이 지속적으로 연구, 개발되고 있습니다.
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