Device Physics : Drift Motion of Carrier

이번 게시글에서는 Carrier의 Drift에 대해서 포스팅하려고 합니다.

1. Drift란?

 

Drift라는 것은 Carrier가 이동하는 형태 중 하나를 나타냅니다. 어떤 물질에 Voltage가 가해진다면 Electric Field가 발생하게 됩니다. 이럴 때 Charge를 가진 Carrier라면 당연히 정전기적인 힘에 이끌려 특정한 방향으로 이동하게 되겠지요. 이러한 Carrier의 이동 형태를 Drift라고 합니다.

2. Drift Motion

Free Carrier들의 Mobility에 대해서 설명드리려고 합니다. Mobility라는 개념은 간단히 말씀드려서 Free Carrier가 얼마나 빠르게 움직일 수 있는지를 보여주는 Parameter라고 생각하시면 됩니다. 게임으로 치면 '민첩성'같은 개념입니다.

 Mobility에 대한 자세한 설명을 드리기 전에 'Mean Free Time'의 개념에 대해서 먼저 말씀을 드려야 할 것 같습니다. Mean Free Time이라는 것은 첫번째 충돌 이후 두번째 충돌까지 Scattering을 하지 않고 이동할 수 있는 시간을 나타내는 값입니다. 우리는 1번 글(2020/04/12 - [Device Physics/Basic Theory] - 1. Thermal Motion of Carrier)에서 Electron이 두 지점 사이를 이동할 때 직선으로 이동하는 것이 아니라 Scattering으로 이동한다는 것에 대해 이야기 했습니다. Mean Free Path라는 것은 마찬가지로 첫번째 충돌이후 두번째 충돌까지 Scattering을 하지 않고 이동할 수 있는 거리를 나타내는 것이구요. 아래 그림에서 본다면 빨간색 점선으로 표시된 구간을 Mean Free Path라고 할 수 있겠네요!

Mean Free Time은 앞으로 Hole의 경우 tmp, Electron의 경우 tmn으로 표현하겠습니다. 앞선 포스팅에서 Carrier들이 이동할 때 Scattering을 하게 되면 모든 에너지를 잃는다고 말씀드렸습니다. 한번 Scattering을 하게 되면 모든 에너지를 잃고 잠시 정지하게 됩니다. 하지만 Electric Field로부터 Energy를 다시 얻거나 다른 Carrier의 Scattering에 의해 Energy를 얻어서 다시 이동하게 됩니다.

 기본적으로 Carrier는 위의 그림처럼 끊임없이 Scattering하면서 전진합니다. Scattering하고 Energy를 잃고 다시 Energy를 얻고 다시 이동하고 Scattering하며 이동하게 되며 그 하나하나의 이동을 무작위적입니다. 하지만 Drift의 경우는 위의 그림처럼 전체적인 Carrier의 이동이 결과적으로 Field가 인가된 방향으로 이동하게 됩니다. 위의 그림이 너무 복잡해 아래에 좀 더 간략하게 표시를 하겠습니다.

이 그림을 보면 Carrier 각각은 무작위적으로 움직일지라도 평균적으로는 Electric Field에 의해 방향성을 가지고 Carrier들이 이동하는 것을 볼 수 있을 것입니다. 이를 Carrier의 Drift Motion이라고 합니다.