Silicon Detector와 CMS의 Pixel tracker에 대하여.
- 이번 포스팅에서는 입자물리학을 포함하여 카메라, 모니터에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있는 silicon detector의 원리에 대해서 살펴보고자 한다.
- 반도체(Semi-conductor)
- 반도체란 무엇인가?
- 양자역학에서 원자 내부에 있는 전자의 에너지 준위는 양자화 되어있다. 수소의 에너지 준위에 대한 그림을 쉽게 떠올려 볼 수 있을 것이다. 그것은 양성자 한개와 전자 한개가 만든 wavefunction의 에너지 준위다.
그런데 이러한 원자를 규칙적으로 여러개 위치시키게 되면 wavefunction들이 중첩을 일으키게 되고 더 다양한 에너지 준위를 가질 수 있게 된다. 고체와 같이 아주 많은 원자들을 규칙적으로 배열시킬 경우 다양한 에너지 준위는 거의 연속적으로 펼쳐지게 되고, 흔히 말하는 에너지의 띠(band)가 만들어진다.
energy band는 여러개가 만들어 질 수 있다. 반도체에 대해서 이야기 할 때에는 최외곽의 energy band와 그 것보다 한 단계 아래의 band에 대해서 논하게 된다.
- 최외곽의 band와 그보다 한 단계 아래의 band 사이에는 energy gap이 생기게 된다. 그 gap의 크기가 얼마만큼 되느냐가 도체, 반도체, 부도체를 구분하는 중요한 척도가 된다.
- 이제부터 최외곽 band를 conduction band, 그보다 한 단계 아래의 band를 valance band라고 부르도록 하자.
반도체는 band gap이 0.1~10eV정도이고 페르미 에너지가 conduction band와 valance band의 사이에 있는 경우다.
부도체는 band gap 이 비슷하거나 더 크고, 페르미 에너지가 conduction band의 맨 위보다 아래에 있다. 도체는 어떤 경우일까?
- 도핑과 n- & p- type 반도체.
- 도핑
도핑하지 않은 반도체는 intrinsic semi-conductor라고 부른다. 이 상태에서는 적당한 band gap과 페르미 에너지로 인해 도체도, 부도체도 아닌 종류의 물질이라는 것 외에 응용할 수 있는 부분이 크게 없다.
하지만 고의적으로 intrinsic semi-conductor에 불순물을 섞어주는 도핑을 해주게 되면 반도체는 다양한 부분으로 응용할 수 있는 물질이 된다.
이 도핑을 어떻게 하느냐에 따라서 반도체는 n-type과 p-type으로 나누어지게 된다. n과 p는 각각 negative와 positive의 의미를 가진다. 왜 그렇게 이름을 붙였을까?
- n-type
위에서 살펴본 바와 같이 반도체에 대해 이야기할 때에는 conduction band와 valance band에 대해서 살펴보아야 한다. 순수한 반도체 속에 valance band에 많은 electron을 가지는 불순물을 섞어주게 된다면 어떤 일이 있어날까? 불순물은 반도체의 conduction band에 전자를 기부해주는 donator가 된다. 이를 donor라고 부른다. 따라서 물질이 전체적으로는 중성이지만, electric charge를 옮길 수 있는 electron의 수가 늘어가게 된다. 그러므로 이 경우 electron의 charge가 negative인 것에서 n-type 반도체라고 부른다.
- p-type
n-type과는 반대로, valance band에 전자가 희박한 불순물을 섞어줄 경우 주변의 conduction band에 있는 전자를 흡수하게 된다. 이를 accepter라 부른다. 전자를 흡수하게 되면 물질이 전체적으로는 중성이므로 effectively, electric charge를 옮기는 positive hole이 conduction band의 전자의 빈자리에 생기게 된다. hole의 charge가 positive이므로 p-type 반도체라고 부른다.
- 도핑의 정도(불순물을 얼마나 섞느냐)와 다른 type의 반도체를 어떻게 접합시키느냐에 따라서 매우 다양한 회로소자를 만들 수 있다. 이제 대표적인 회로소자이면서 silicon detector에 사용되는 diode에 대해서 살펴보도록 하자.
- 다이오드(diode)
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