직접 천이형과 간접 천이형 반도체의 차이점

직접 천이형 반도체에서는 전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량(파수) 공간에서 같은 위치에 있어, 전자와 정공이 재결합하면 그대로 빛을 낼 수 있습니다. 간접 천이형에서는 두 위치가 어긋나 있으므로, 빛을 내거나 흡수하려면 운동량을 보충하는 포논(격자 진동)이 동시에 관여해야 합니다. 그래서 GaAs, InP, GaN 등의 직접 천이형은 LED와 반도체 레이저에 사용되고, 간접 천이형인 Si와 Ge는 발광에는 적합하지 않지만 수광 소자와 LSI에 널리 사용됩니다.

비교 항목직접 천이형간접 천이형
밴드 구조전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량 공간에서 같은 위치에 있습니다전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량 공간에서 어긋나 있습니다
빛의 방출·흡수와 포논포논 없이 천이할 수 있습니다운동량을 보충하는 포논이 동시에 관여해야 합니다
발광 효율높음. 복사 재결합의 확률이 높습니다매우 낮음. 대부분 비복사 재결합으로 열이 됩니다
소수 캐리어 수명(기준값)짧음. ns 정도김. 고품질 실리콘에서는 µs~ms에 이릅니다
밴드 끝 부근의 빛 흡수흡수단에서 급격히 강해집니다(약 10⁴ cm⁻¹ 이상)흡수단 근처에서는 약하고, 에너지가 높아질수록 서서히 강해집니다
빛이 흡수되는 깊이얕음. GaAs에서는 약 1~2 µm 두께로 태양광의 대부분을 흡수합니다깊음. 실리콘에서는 파장 약 1 µm의 빛이 100 µm 이상 침투합니다
수광 소자에서의 취급얇은 흡수층으로 충분하여 고속 수광기에 적합합니다흡수층을 두껍게 하거나 빛을 가두는 구조가 필요합니다
대표 재료GaAs(약 1.42 eV), InP(약 1.34 eV), GaN(약 3.4 eV), InGaN 등의 혼정Si(약 1.12 eV), Ge(약 0.66 eV), SiC, GaP
주요 용도LED, 반도체 레이저, 고효율 태양전지, 통신용 수광기LSI, 전력 소자, 포토다이오드, 이미지 센서, 태양전지

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

직접 천이형
전기를 빛으로 바꿀 때. LED와 반도체 레이저의 발광층, 얇은 층으로 빛을 강하게 흡수하고 싶은 수광기나 고효율 태양전지에 사용합니다.
간접 천이형
발광이 필요 없을 때. 실리콘은 LSI와 전력 소자 외에도 포토다이오드, 이미지 센서, 태양전지 등의 수광에 사용합니다.
함께 사용
실리콘 포토닉스에서는 광 도파로, 변조기, Ge 수광기를 실리콘 위에 만들고, 광원으로는 InP계 등의 직접 천이형 레이저를 접합하거나 별도의 칩으로 조합합니다.

자주 묻는 질문

간접 천이형인 실리콘이 빛을 흡수할 수 있는 이유는 무엇인가요?

흡수할 때는 포논을 흡수하거나 방출해 운동량을 보충하면 천이할 수 있기 때문입니다. 확률이 낮아 흡수는 약한 편이지만, 두께를 확보하면 충분한 빛을 흡수할 수 있습니다. 실리콘 포토다이오드와 이미지 센서가 가시광을 잘 검출할 수 있는 것은 이 때문입니다.

간접 천이형에서는 전자와 정공이 어떻게 재결합하나요?

빛을 내는 복사 재결합의 확률이 낮으므로, 대부분은 결정 결함이나 불순물 준위를 거치는 SRH 재결합 등으로 빛이 아닌 열로 에너지를 잃습니다. 실리콘의 소수 캐리어 수명이 긴 것도 복사 재결합이 잘 일어나지 않기 때문입니다.

Ge는 간접 천이형인데 통신용 수광기에 사용되는 이유는 무엇인가요?

Ge는 간접 천이형이지만, 직접 천이 갭이 약 0.8 eV로 간접 천이 갭(약 0.66 eV)에 가깝기 때문입니다. 그래서 1.55 µm 부근까지의 통신 파장의 빛을 강하게 흡수할 수 있고, 실리콘 위에 결정 성장시키기 쉬워 실리콘 포토닉스의 수광기에 사용됩니다.

발광 파장은 무엇으로 결정되나요?

주로 발광층의 밴드갭으로 결정되며, 파장 λ (nm)는 대략 1240 ÷ Eg (eV)입니다. GaAs는 약 1.42 eV로 약 870 nm의 근적외선, GaN계는 청색에서 자외선의 빛이 됩니다. 혼정의 조성을 바꾸면 밴드갭을 조정할 수 있으며, InGaN에서는 인듐을 늘리면 파장이 길어집니다.

이해도 확인

갈륨비소(GaAs)의 밴드 구조로 올바른 것은?

  1. A직접 천이형
  2. B간접 천이형
  3. C밴드갭이 없다
정답과 해설 보기

정답: A. 직접 천이형

GaAs는 전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량 공간에서 같은 위치에 있는 직접 천이형으로, 포논의 도움 없이 전자와 정공이 재결합하여 효율적으로 빛을 냅니다. 그래서 적외선 LED와 반도체 레이저(광디스크, 통신, 얼굴 인식용 VCSEL)에 사용됩니다. 실리콘은 간접 천이형이라 재결합에 포논이 관여하므로 발광 효율이 매우 낮습니다. 빛의 흡수도 강해 얇은 층만으로 충분하므로 고효율 태양전지에도 사용됩니다.

실리콘의 밴드 구조 종류로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A직접 천이형
  2. B간접 천이형
  3. C밴드갭이 없는 금속형
정답과 해설 보기

정답: B. 간접 천이형

실리콘은 전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량(파수) 공간에서 서로 다른 위치에 있는 간접 천이형입니다. 전자와 정공이 재결합하여 빛을 내려면 운동량을 보충하는 포논(격자 진동)이 동시에 관여해야 하므로 발광 효율이 매우 낮아집니다. 그래서 LED나 레이저에는 GaAs, InP, GaN 등의 직접 천이형이 사용됩니다. 한편 빛의 흡수는 포논의 도움으로 일어나므로, 실리콘도 수광 소자에는 쓸 수 있습니다.

실리콘 같은 간접 천이형 반도체에서 전자와 정공이 재결합하여 빛을 낼 확률이 낮은 이유로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A전도대 바닥과 가전자대 꼭대기의 운동량이 달라서 천이에 포논의 관여가 필요하기 때문에
  2. B정공의 이동도가 전자보다 작기 때문에
  3. C밴드갭이 너무 크기 때문에
정답과 해설 보기

정답: A. 전도대 바닥과 가전자대 꼭대기의 운동량이 달라서 천이에 포논의 관여가 필요하기 때문에

간접 천이형에서는 전도대 바닥과 가전자대 꼭대기가 운동량(파수) 공간에서 떨어져 있습니다. 광자는 운동량을 거의 나를 수 없으므로 천이에 포논이 동시에 관여해야 하며, 방사 재결합 확률은 직접 천이형보다 자릿수가 다르게 낮아집니다. 그동안 SRH 재결합 등으로 열이 되어 버리므로 실리콘은 발광 소자에 적합하지 않습니다. 실리콘 포토닉스에서 광원으로 InP 등을 접합하는 것은 이 때문입니다.

  1. LED의 발광색(발광 파장)을 결정하는 주된 요인은?
  2. 실리콘 포토닉스에서 레이저 광원에 화합물 반도체를 조합하는 이유로 올바른 것은?
  3. 실리콘 광회로에서 통신 파장의 광검출기에 게르마늄(Ge)이 널리 사용되는 이유로 올바른 것은?

반도체 물리 문제 풀기

주요 용어 설명

직접 천이형
전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 같은 파수에 있는 밴드 구조. 전자와 정공의 재결합으로 효율적으로 발광한다. GaAs 등.
간접 천이형
전도대 바닥과 가전자대 꼭대기의 운동량(파수)이 어긋난 밴드 구조. 천이에 포논이 필요하여 발광하기 어렵다. 실리콘과 게르마늄이 대표적이다.
밴드갭(Bandgap)
가전자대 상단과 전도대 하단 사이의 에너지 차이. 실리콘은 상온에서 약 1.12 eV이다. 클수록 고온·고전압에 강하다.
GaAs(갈륨비소)
갈륨과 비소로 이루어진 III-V족 화합물 반도체. 직접 천이형이며 밴드갭은 약 1.42 eV. 전자 이동도가 높아 고주파 트랜지스터와 적외선 LED, 레이저에 쓰인다.
포토다이오드(Photodiode)
빛을 받아 전하(전류)를 발생시키는 다이오드. 이미지 센서 화소의 수광 소자로 사용된다.

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