Hall-effect 와 UV-Vis spectrometer

1.     Hall-effect 와 UV-vis spectrometer

2.     Hall-effect와 UV-vis spectrometer의 원리를 이해할 수 있다.

3.     이론

Hall- effect(홀 효과)는 전류와 자기장에 의해 모든 전도체 물질에 나타나는 효과를 뜻하는 것으로 시료가 자기장 속에 놓여 있을 때 그 자기장에 수직방향으로 전류를 흘려주면 자기장과 전류 모두 수직인 방향으로 내부 전위차이가 발생하는 현상이다. 이를 효과적으로 이해하기 위해서는 일련의 개념에 대해 알 필요가 있어 간략하게 훑어보려고 한다.

 

[그림1] AI시대에 접어들면서 반도체가 나날이 중요해지고 있음을 강조하는 그림이다.

 

20세기 초, 30년간에 걸쳐 시작된 과학지식의 폭발로 인하여 과학자들과 공학자들은 많은 수의 새로운 전자장치를 개발하게 되었다. 이 기간의 대부분에 있어서 진공관이 전자시스템의 주요 소자로 사용되었다. 그러다가 1950년대 초 트랜지스터가 발명되면서 새로운 시대의 서막을 알렸다. 트랜지스터의 발전은 전자산업의 호황과 결합하여 산업계의 혁명을 초래하였다. 트랜지스터는 간결성과 전력요구가 적다는 점이 매우 큰 장점 중 하나였다. 그로부터 70여년 후, 챗GPT로인해 또 한 번 전자산업이 새로운 국면을 맞이한 가운데 세상의 이목이 반도체로 쏠리고 있다.

[그림2] 반도체의 부활을 꿈꾸며 설립한 일본의 Rapidus의 그림이다.

 

이에 따라 반도체에서 나타나는 hall-effect에 대하여 알아보려고 한다.

최근처럼 춥고 건조한 겨울날 자동차 손잡이를 잡거나 머플러를 잡을 때 정전기 현상이 일어남을 알 수 있다. 이와 같이 물체끼리 문지르는 과정에서 물체는 대전(charge)되며, 이 결과 물체는 전하(electric charge)를 띠게 된다. 이러한 전하는 두종류만 존재하고 같은 종류의 전하끼리는 반발하고 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당기는 특징을 갖고 있다. 대전(charge)이 아주 잘 된 금속막대가 있다. 이처럼 금속막대와 같이 전기가 잘 통하는 물체를 도체(conductor)라 하고, 나무나 고무와 같이 전기가 잘 통하지 않는 물체를 부도체(nonconductor)이라 한다. 그러나 몇몇 물질(실리콘 등) 에서는 도체와 부도체의 중간적인 성질을 나타내기도 하는데 이러한 물질을 반도체(semiconductor)이라고 한다.

[그림3] 전기 전도도에 따른 재료의 분류

 

이 때 어느 한 곳에 정지한 전하가 주위 공간에 전기장을 만들고 다른 전하에 전기력을 미치는 것과 마찬가지로, 자석의 자극도 그 주위 공간에 있는 다른 자극에 자기력을 미치는 공간을 만든다. 그리고 이와 같이 자기력이 미치는 공간을 자기장이라고 한다. 이러한 자기장속에서는 자기력의 크기와 방향이 중요한데, 여기서 여러가지 법칙들이 존재한다.

[그림4]자기력의 크기와 방향에 대한 이해를 돕는다.

 

이 힘은 전하가 자기력선에 수직으로 움직일 때 최댓값을 갖고, 다른 각도에서는 감소하다가, 입자가 자기력선을 따라 움직일 때0이 된다. 이것은 대전입자가 움직이든지 혹은 정지하고 있을 때 모두 힘을 미치는 전기력과 매우 다르다. 또한 전기력의 방향은 전기장과 평행한 반면, 움직이는 전하에 대한 전기력은 자기장에 수직방향이다.

[그림5] 홀 효과를 측정하는 소자의 도식 그림이다.

 

다음으로 반도체에 관한 용어에 대해 설명하려고 한다. 캐리어(carrier)는 반도체 내 전류의 흐름을 발생시키는 것을 뜻한다. 캐리어의 종류는 전자와 정공으로 나뉜다. 드리프트(drift)는 전계에 의한 전하의 이동을 뜻한다. 그리고 캐리어의 평균 드리프트 속도를 이동도(mobility)라고 한다. 따라서 반도체에 전압을 인가해주면 드리프트 전류와 전계가 생성된다. 반도체는 결정구조를 가지기 때문에 유용한 전기적 특성을 가진다. 또한 그곳에서의 결함으로 인해 캐리어가 발생한다. 먼저 반도체에 자기장을 가해준다. 이때 전계와 수직인 방향으로 가해준다. 그러면 전류에 의해 이동하는 캐리어가 자기장에 의해 어떻게 영향을 받는지 확인 할 수 있다. 따라서 전류에 의해 전자 및 정공이 이동하고 있을 때 로렌츠 힘을 받으면 전자 혹은 정공이 힘의 방향으로 밀려가 힘이 작용하는 쪽의 면에 전자나 정공이 증가하게 되고 반대편 면에서는 전자나 정공이 상대적으로 적어지게 된다. 이로 인해 전류와 자기장을 이루는 면에 수직인 방향으로 전위차이가 생겨난다. 이 때 반도체 시료 내 전자가 주로 채워져 있는지 혹은 정공이 주로 채워져 있는 지에 따라 N형 반도체 P형 반도체 인지 판단할 수 있다. 그리고 이때의 전압을 홀 전압이라하고 이것을 측정했을 때 측정값이 양수면 P형반도체 음수면 N형 반도체이다. 그리고 이러한 현상을 홀 효과(Hall effect)라고 한다.

 

[그림6] UV-VIS spectrophotometer의 구성성분에 대한 모식도이다.

 

UV-VIS 흡수분광법은 여러 가지 무기 및 유기화합물의 편리한 분석법 중 하나이다. 이들 영역의 복사선은 원자가 전자를 전이시키는 데 충분한 에너지를 가지고 있다. 이에 대한 원리를 효과적으로 이해하기 위해서는 Beer-Bouguer 법칙, 빛의 흡수를 측정하는 단위, 흡수 스펙트럼과 같은 개념을 이해할 필요가 있다.

[그림7]빛의 물리적 성질에 대한 이해를 돕는다.

 

먼저 빛의 물리적인 성질에 관해 이야기해보려고 한다. 가시광선은 대단히 광범위한 현상 중 일부분이며 빙산의 일각과 같다. 가시광선은 우리가 눈으로 볼 수 있는 부분이며 빛은 전자기파라고 부르는 파동의 일종이다. [그림7]을 참고하여 전자기복사선을 특성화 하는데 필요한 단위들을 정리해 놓았다. 이 때 에너지는 주파수에 비례함을 기억할 필요가 있다.

[그림8]Beer-Bouguer법칙에 대한 이해를 돕는다.

 

빛의 흡수현상에 대해 이야기 하려한다. 물은 투명하지만 황산구리 용액은 파란색을 띤다. 이는 구리이온이 백색광 중 보색인 빨간색을 흡수하기 때문이다. 이처럼 전자기파의 흡수 농도와 흡광도 값의 선형관계를 나타낸 법칙이 바로 Beer의 법칙이다. 이러한 원리를 이용하여 다음과 같이 측정할 수 있다. 1. 광원에서 다양한 파장을 갖는 빛을 방출한다. 2. 단색화장치에서 특정 파장의 빛을 분리한다. 3. 분리된 단일파장의 빛이 분석시료를 통과된다. 4. 시료를 통과한 빛의 세기를 측정하여 시료 투과 전과 후를 비교하여 얼마만큼의 빛이 시료에 흡수되었는지를 결과값을 계산한다.

 

 

1.     Reference.

1.     최주환, 박용성 , UV-VIS 및 원자흡수 분광분석법, 우용출판사, pp17~105

2.     정강민, 물리전자공학, 도서출판신성, pp196~221

3.     박상식외3인, 반도체 공학, 두양사, pp14~102

4.     일반물리학 교재집필위원회, 일반물리학, 북스힐, pp407~555