[반도체공학] 03. Introduction to Quantum mechanism (1)

Introduction to Quantum mechanism

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반도체 소자는 전압 인가에 따라 전류가 흐르는데, 반도체의 특성을 평가하기 위해 I-V(Current-Voltage) 특성 평가는 필수적이다. I-V 특성은 전압에 따른 전류의 변화를 나타내는데, 전류의 변화는 곧 전자의 이동이다. 전자의 크기는 매우 작아 미시적으로 해석이 필요하고, 해석을 위해서는 양자역학이 필요하다.
 
♭ 아인슈타인의 광전 효과(Photoelectric effect)
Monochromatic light을 금속 표면에 조사했을 때 금속 표면에서 광전자(Photoelectron)이 방출되는 현상

빛의 진동수(Frequency)가 임계 진동수(υ₀; 금속의 일함수)보다 낮으면 빛의 강도(Intensity) 아무리 강해도 광전자가 방출되지 않는다. 고전 역학의 관점에서는 빛의 강도(Intensity)가 강해지면 광전자가 방출되어야한다.

→ E = hν

1) 빛의 세기가 일정한 경우
진동수가 큰 빛일수록 광전자가 방출되는 것을 방지하기 위해 필요한 전압의 크기가 크다.
→ 방출된 광전자의 최대 운동에너지는 빛의 세기와 무관하고, 빛의 진동수에만 의존한다.
 
2) 빛의 진동수가 일정한 경우
금속의 일함수보다 큰 에너지를 갖는 빛의 세기가 강할수록 광전자의 방출량은 증가한다.
→ 빛의 진동수가 임계 진동수보다 큰 빛이라면 빛의 세기(Intensity)와 상관없이 광전자는 방출된다.
 
♭ 파동-입자 이중성(Wave-Particle Duality)
1) 입자성 - Compton scattering 실험
X-Ray beam이 고체와 충돌한 후 일부는 회절되고 회절된 파동의 주파수 변이와 회절 각도는 에너지와 운동량이 보존되는 법칙을 따른다.
 
2) 파동성 - Davision과 Germer 실

전자를 Ni 단결정에 수직으로 입사시키고 산란된 전자들의 농도에 최댓값이 있음을 발견하고, 이때 간섭 무늬를 나타낸다.
 
3) 물질의 이중성 - de Broglie의 이중성
입자와 파동의 이중성은 운동량(p)와 파장(λ)가 반비례 관계를 갖고, 파동와 입자의 특성을 동시에 관찰하는 것은 어렵다.

물질의 이중성

→입자성을 띄는 물질은 파동성의 특성이 매우 희소하고, 파동성의 특성을 띄는 물질은 입자성의 특성이 매우 희소하다. 따라서, 어떤 현상을 입자 or 파장 두 가지 관점으로 해석할 수 있다. (입자로 해석하기 쉬우면 입자로 해석하고, 파동으로 해석하기 쉬우면 파동으로 해석한다.)
 
♭ 불확정성 원리(Uncertainty principle)
1. 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없다. : ΔxΔp ≥ ħ
→ 입자의 위치를 확정하면 운동량이 변하고, 운동량을 확정하면 위치가 변한다.
2. 입자의 에너지와 에너지를 갖는 시간을 동시에 정확히 알 수 없다. : ΔEΔt ≥ ħ
→ 입자의 에너지를 확정하면 시간이 변하고, 시간을 확정하면 에너지가 변한다.
 
 
<출처>
Donald A. Neaman, "Semiconductor physics and device" 4th edition.
 

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