물리1 반도체 에너지띠 이론 정리 (입문자용)

 마찰 전기나 번개, 전류 등 다양한 전기 현상을 일으키는 원인을 전하라고 한다.

전하는 물질이 가지는 기본 속성으로, 양전하와 음전하 두 종류가 있다.

전하를 띤 물체 사이에는 힘이 작용하는데, 이 힘은 물질을 이루는 기본 단위인 원자와도 관계가 있다.

 

원자핵은 원자 질량의 99%이상을 차지할 만큼 전자에 비해 매우 무겁다.

원자에 비해 원자핵은 지름이 매우 작아서, 원자의 내부는 대부분 빈 공간이라고 볼 수 있다.

 

Q. 모든 원자는 양전하를 띠는 원자핵과 음전하를 띠는 전자를 가지는데, 원자가 전하를 띠지 않는 까닭은 무엇인가?

A. 양성자수와 전자수가 같고 양성자와 전자의 전하량이 같아서이다.

 

쿨롱 법칙 

대전된 두 물체 사이에 작용하는 전기력의 크기는 각 물체가 띠는 전하량의 곱에 비례하고, 두 물체 사이의 거리 제곱에 반비례한다.

 

대전된 물체 사이에 작용하는 힘을 전기력이라고 한다.

 

(전기력) F = k x q₁q₂ ÷ r²

뉴턴 제3법칙에 따라 각 물체에 작용하는 전기력은 서로 크기가 같고 방향이 반대이다.

 

에너지 양자화

 

덴마크의 물리학자 보어는 전자가 주어진 원자 안에서 특정한 에너지를 가진 궤도에만 존재할 수 있다는 모형을 제시했다.

전자가 각각의 허용된 궤도에 있을 때 에너지를 방출하지 않고 안정된 상태로 존재할 수 있는데, 이 상태를 정상 상태라고 한다.

정상 상태에 있는 전자의 에너지를 그 원자의 에너지 준위라고 한다.

 

원자핵에서 가장 가까운 것부터 n=1, n=2, ㆍㆍㆍ 인 에너지 준위라고 부르며, 이때 n의 값을 양자수라고 한다.

n의 숫자로 전이할 때 : n=1 자외선 영역,  n=2 가시광선 영역, n=3 적외선 영역

이처럼 전자는 양자수와 관련된 불연속적인 에너지만을 가질 수 있는데, 이를 에너지가 양자화되었다고 한다.

 

바닥상태  : 전자는 에너지가 가장 낮은 정상 상태일 때 가장 안정된 상태이다.

들뜬 상태  : 전자가 바닥상태보다 큰 에너지를 가지는 정상 상태이다.

 

 

전자의 에너지가 변하여 전자가 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이동하는 것을 전이라고 한다.

 

E = hｆ(플랑크 상수 h = 6.63 x 10-³⁴  Ｊㆍｓ)

 

 

에너지띠 이론과 물질의 전기 전도성

 

물질에 따라 전류가 흐르는 정도가 다른데, 이런 특징을 전기 전도성이라고 한다.

 

두 개의 원자를 가까이 하면 서로 중첩되는 에너지 준위가 생긴다.

n개의 원자가 모여 고체가 되면 각 원자의 에너지 준위는 서로 일치하지 않도록 미세하기 둘로 갈라져 n개의 준위로 갈라진다.

에너지 준위가 미세하게 갈라져 거의 연속적인 띠와 같은 형태를 이룬다.

 

 

(No forbidden gap) 금지띠 : 에너지띠와 에너지띠 사이에는 전자가 존재할 수 없는 에너지 영역

(Valence band) 원자가 띠 : 전자가 채워진 에너지띠 중에서 에너지가 가장 높은 에너지띠

(Conduction band) 전도띠 : 원자가 띠보다 에너지가 높고, 전자가 채워지지 않은 에너지띠

띠 간격 : 원자가 띠의 가장 높은 에너지 준위와 전도띠의 가장 낮은 에너지 준위의 차이

자유 전자 : 작은 에너지만 주어도 에너지 상태를 바꾸면서 물질 안에서 자유롭게 움직이는 전자

양공 or 전하 나르개 : 전자가 전도띠로 전이하면 원자가 띠에 남는 빈 자리

 

● 도체 : 전류가 잘 흐르는 물체

원자가 띠가 일부만 차 있거나 원자가 띠와 전도띠가 서로 겹쳐져 있다.

작은 전압을 걸어 주어도 쉽게 빈 에너지 준위로 전이함.

ex) 금, 은, 구리, 철, 알루미늄 등등

 

● 절연체 or 부도체 : 전기 전도성이 안 좋은 물체

원자가 띠가 전자로 모두 채워져 있고 띠 간격이 매우 크다.

 

ex) 유리, 다이아몬드, 나무, 고무, 등등

 

● 반도체 : 전기 전도도가 도체와 절연체 사이인 물질

띠 간격이 절연체보다 훨씬 작다.

 

도핑 : 순수한 반도체에 특정한 불순물을 조금 섞으면 전기 전도성이 크게 좋아진다.

n형 반도체 : 순수한 반도체 결정에 자유 전자가 더 많이 생기도록 도핑하여 전기 전도도를 높인 것이다.

p형 반도체 : 순수한 반도체 결정에 양공이 더 많이 생기도록 도핑하여 전기 전도성을 높인 것이다.

p-n접합 다이오드 : 순수 반도체에 한쪽은 p형 도핑을 하고 다른 한쪽은 n형 도핑을 한 것에 전극을 부착한 것

정류 작용 : 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 특성 

순방향 바이어스 : p형 반도체에 전원의 (+)극을 연결하고 n형 반도체에 전원의(-)극을 연결해 전류가 흐르게 전압을 걸어 주는 것

역방향 바이어스 : p형 반도체에 전원의 (-)극을 연결하고 n형 반도체에 전원의 (+)극을 연결하여 전류가 흐르지 않는데 전압을 걸어 주는 것