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반도체/플라즈마

plasma 기초 7. 양극성 확산 (ambipolar diffusion)란 무엇인가

by YB+ 2022. 9. 19.
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어릴적에 친구들과 장난처럼 볼펜 양쪽을 양손으로 빠르게 쥐었다가 폈다하면 왠지 모르게 볼펜이 짧아져보이는 재미난 놀이가? 있었습니다. 물론 오늘 설명할 양극성 확산과는 전혀 상관이 없는 내용이지만 움직임이 뭔가 비슷한 느낌이여서.. 아무튼 오늘은 양극성 확산에 관련한 내용입니다. 앞에서 계속해서 설명드린것처럼 플라즈마는 준중성상태이지만 전자가 이온보다 매우 빠르기 때문에 여러가지 신기한 현상들이 일어납니다.

그중에서도 플라즈마의 준중성 상태를 유지시켜주는 아주 핵심적인 기능을 하는게 바로 양극성 확산입니다. 앞서 설명한것처럼 전자는 이온보다 매우!!!! 비교도 안될만큼 빠릅니다. 하나의  생각을 해보면 양극이 있고 그중에서 왼쪽에 양극이 켜진다면 순간적으로 전자는 기판쪽으로 몰리게 됩니다. 즉 중성이 깨질만한 상황이죠 그렇게 되면 왼쪽에는 전자가 오른쪽에는 이온이 뭉쳐져 있습니다.

여전한 그림실력..


그렇게 되면 한쪽에는 -가 반대쪽에는+가 되면서 순간적으로 전기장이 형성됩니다. 이때 전자는 이온을 끌어당겨오고 이온은 전자를 끌어당깁니다. 느린 이온은 전자쪽으로 가속을 하고 빠른 전자는 이온에의해 속도가 느려지며 궁극적으로는 이온과 전자의 확산의 속도가 같아지게 되는데 확산선속이 같다는건 같은 공간내에서 이동거리가 같다고 볼 수 있어 전자가 플라즈마 밖으로 나가지않고 이온도 동일하게 플라즈마 내에 계속해서 머무르게 되는것입니다.

이것이 바로 플라즈마가 준중성을 띄는 이온과 전자의 집단이라고 불리는 이유입니다. 멀어지면 가까이 가까워지면 멀어지게 아주 지들끼리 떨어지지 못해서 계속해서 디바이 차폐길이를 벗어나지 못하고 플라즈마가 유지됩니다. 신기한건 전자와 이온의 움직임에도 불구하고 플라즈마에 확산이라는 단어를 사용합니다. 전자와 이온에서도 순간적으로 계속해서 전위차가 발생하는것을 보듯이 벽쪽으로 갈수록 플라즈마는 점차 약해집니다. 그러나 자연계는 이런 단순한것을 절대로! 가만두지 않죠. 그래서 중앙에서(농도가 높은곳) 벽쪽으로(농도가 낮은곳)으로 플라즈마가 확산해갑니다.

플라즈마의 확산도 위의 양극성 확산이 큰 역할을 합니다. 전자가 벽쪽으로 빠르게 이동하고 그것을 이온이 따라갑니다. 그리고 전자가 벽쪽으로 빠져나가고 이온이 남으면 그 이온이 또 전자를 끌어옵니다. 이런식으로 정말 플라즈마도 확산이 되는거지요.


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