에너지띠와 반도체
쉽게 말하면
에너지 양자화에서 원자 하나의 전자는 불연속 준위만 갖는다고 했습니다. 그런데 고체에서는 원자가 어마어마하게 많이 붙어 있고, 이웃한 원자끼리 영향을 주고받으면 하나였던 준위가 미세하게 갈라집니다. 원자 수가 워낙 많으니 갈라진 준위들이 촘촘한 다발을 이루고, 결과적으로 '띠'처럼 보입니다.
전자는 낮은 띠부터 채워 들어갑니다. 전자로 가득 찬 마지막 띠가 원자가 띠, 그 위의 비어 있는 띠가 전도띠, 그 사이의 허용되지 않는 구간이 띠 간격입니다. 여기서 중요한 사실은 '꽉 찬 띠 안의 전자는 전류를 나를 수 없다'는 것입니다. 옮겨 갈 빈자리가 없으면 전기장을 걸어도 움직일 수 없기 때문입니다. 전류가 흐르려면 전자가 빈 곳이 넉넉한 전도띠로 올라가 있어야 합니다.
이 구조가 물질의 성격을 결정합니다. 도체는 전도띠가 일부만 채워져 있거나 두 띠가 아예 겹쳐 있어, 전자가 언제든 움직일 수 있습니다. 부도체는 띠 간격이 너무 커서 전자가 도저히 올라가지 못합니다. 반도체는 그 중간입니다 — 규소나 저마늄처럼 띠 간격이 작으면, 실온의 열이나 빛을 받아 일부 전자가 전도띠로 올라갑니다. 띠 간격보다 큰 에너지의 광자를 쬐어야만 전자가 올라간다는 점은 광전 효과에서 문턱 진동수가 있던 것과 정확히 같은 구조입니다.
전자가 전도띠로 올라가면 원자가 띠에는 빈자리가 남는데, 이 빈자리를 정공이라고 합니다. 순수한 반도체에서는 전자와 정공이 늘 쌍으로 생기므로 수가 같습니다. 여기에 불순물을 아주 조금 섞어(도핑) 한쪽 운반자만 크게 늘린 것이 형과 형 반도체입니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1온도를 올리면 반도체의 저항이 줄어든다열에너지가 원자가 띠의 전자를 전도띠로 밀어 올리면 전류를 나를 운반자가 늘어납니다. 그래서 반도체는 뜨거워질수록 전기가 더 잘 통합니다. 금속은 반대입니다 — 운반자 수는 이미 충분한데 온도가 오르면 원자의 진동이 심해져 전자의 길만 방해하므로 저항이 커집니다. 같은 '온도 상승'이 정반대 결과를 내는 이유가 띠 구조에 있습니다.
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예시 2빛을 쬐면 전류가 흐르는 반도체띠 간격보다 큰 에너지의 광자가 들어오면 원자가 띠의 전자를 전도띠로 올려 전자-정공 쌍을 만듭니다. 광센서, 광다이오드, 태양전지가 모두 이 원리입니다. 광자 하나의 에너지가 띠 간격보다 작으면 아무리 밝게 쬐어도 소용없습니다 — 광자 수만 늘 뿐 광자 하나의 에너지는 그대로이기 때문입니다.
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예시 3도핑 — 불순물을 아주 조금 섞기원자가 전자가 4개인 규소 결정에 5족 원소(인, 비소 등)를 극소량 섞으면 결합에 쓰이지 않는 전자가 하나 남습니다. 이 전자는 전도띠 바로 아래에 자리 잡아 아주 작은 에너지로도 전도띠에 올라가므로, 전자가 주 운반자인 형 반도체가 됩니다. 반대로 3족 원소(붕소, 갈륨 등)를 섞으면 결합 하나가 비어 정공이 생기고, 정공이 주 운반자인 형 반도체가 됩니다.
도체·반도체·부도체
| 구분 | 도체 | 반도체 | 부도체 |
|---|---|---|---|
| 띠 간격 | 없음 (전도띠가 일부만 채워졌거나 두 띠가 겹침) | 작음 | 큼 |
| 실온에서 전도띠의 전자 | 매우 많음 | 적지만 있음 | 거의 없음 |
| 온도를 올리면 저항 | 커진다 (원자 진동이 방해) | 작아진다 (운반자가 늘어남) | 거의 흐르지 않음 |
| 예 | 구리, 은 | 규소, 저마늄 | 다이아몬드, 유리 |
자주 하는 오해
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 빛과 물질
자주 묻는 질문
Q1도핑을 아주 조금만 하는데 왜 효과가 큰가요?
Q2반도체와 부도체는 본질적으로 다른 물질인가요?
Q3왜 꽉 찬 띠의 전자는 전류를 못 나르나요?
형과 형을 맞붙이면 전류를 한 방향으로만 흘리는 소자가 됩니다. p-n 접합에서 반도체가 실제 부품이 되는 순간을 보세요.
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