[반도체의 정의] 반도체 기초 지식, 에너지 밴드

 

물질은 그 물리적 특성에 따라 다양하게 구분할 수 있다.

전기적 성질에 따른 구분, 자기적 성질에 따른 구분, 광학적 성질에 따른 구분 등이 있다.

 

그 중 물질의 전기적 성질(전류가 형성 되는 물질인가, 아닌가)에 따른 구분해본다면 도체/반도체/부도체로 나눌 수 있다.

어떤 물체의 양단에 전압(V)가 주어지면 물질의 내부에 옴의 법칙 I = V/R 에 따라 전류가 형성된다.

 

I는 전류, R은 저항이다.

 

 

* 도체 : 외부전압에 의해 그 내부에 전류가 형성되는 물질

* 부도체 : 외부전압에 의해 전류가 형성되지 않는 물질

* 반도체 : 도체와 부도체의 중간

 

전기저항은 R = ρL/A 와 같이 주어진다. 여기서 L은 물체의 길이, A는 물체의 단면적을 나타내고, ρ는 물체를 구성하는 물질의 고유한 비저항을 말한다. 금속의 비저항 값은 아주 작고 부도체의 비저항 값은 아주 크다. 반도체는 금속과 부도체 사이의 값을 갖는다.

 

아래 표는 금속, 반도체, 부도체 물질의 온도 20℃ 에서의 비저항 값이다.

	물질	비저항ρ [ ]
금속	구리	1.72
	철	9.71
	수은	98

	물질	비저항ρ [  ]
반도체	탄소	3~60 X 10^-5
	게르마늄	1~500 X 10^-3
	실리콘	0.1 ~ 60

	물질	비저항ρ [  ]
부도체	고무
	나무
	석영

 

금속에는 금속결합에 따른 잉여전자가 존재하며 이 전자들은 금속 안을 자유롭게 움직일 수 있어서 자유전자 라고 부른다. 이런 금속의 양단에 외부전압(V)이 가해지면 자유전자들이 이동하여 전류가 쉽게 형성되기 때문에 금속은 아주 작은 지버항 값을 가진다.(저항이 작아진다는 말)

 

부도체에서는 전류를 흐르게 하는 자유전자가 없다. 그래서 비저항값이 크다.(저항이 크다는 말)

 

반도체에서는 열에너지에 의해 자유롭게 된 약간의 전자가 존재하므로 큰 전압에 의해서만 전류가 형성 될 수 있다.

 

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에너지 밴드(energy band) 관점에서의 도체, 반도체, 부도체는?

 

원자들이 서로 멀리 떨어져 있을 때에는 원자 내의 전자들은 각각의 원자핵에만 구속되어 있다. 그래서 전자들은 그 원자의 특징에 따른 에너지 준위를 가진다. 1s 와 2s로 표시된 것은 각각의 에너지 준위이다. 1s가 기저준위, 2s가 여기준위로 표시되어있다. 

 

예시로 고체의 경우에는 원자들의 거리가 매우 가깝다. 원자들의 전자들은 고체의 전자들이 되고, 이 때 전자들이 존재할 수 있는 에너지 준위들은 Pauli배타율을 따라야 하는 등의 양자역학적인 구속조건을 만족해야 되기 때문에 여러 준위로 갈라질 수 밖에 없다.

 

원자 하나

5개는 예시로 5개 인것임

고체에는 단위면적 당 약 10^28 개의 원자들이 밀집되어 있기 때문에 보통 에너지 준위는 오른쪽 그림처럼 연속적인 에너지 준위의 집합을 이르게 된다. 저 연속적인 에너지 준위의 집합을 에너지 밴드라고 부른다. 고체를 이루는 원자들 사이의 거리를 r0(평형거리) 라고 할 경우 에너지 밴드는 기저준위(1s, ground state)에 해당하는 기저 에너지 밴드와 여기준위(2s, excited state)에 해당하는 여기 에너지 밴드로 나누어진다. 그리고 그 사이에 에너지 간격이 존재하게 되는데 이를 에너지 갭 이라고 부른다. 

 

네이버 국어사전 , 여기 에너지 뜻

 

기저 에너지 밴드 : 전자들이 차 있는 상태(filled) = 가전대 valance band

여기 에너지 밴드 : 비어있는 상태로서 가전대의 전자들이 여기되어 올라갈 수 있음 = 전도대 conduction band

 

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위의 설명한 에너지 밴드의 구조는 물질에 따라 달라진다. 도체, 반도체, 부도체에서의 에너지 밴드의 모양은 어떨까?

 

 

금속 : 가전대와 전도대가 겹쳐져 있다. 에너지 갭이 없어서 전도대에 전자들이 이미 존재하므로 낮은 외부전압에 의해서도 이 전자들이 쉽게 이동함으로써 전류가 형성된다. 이에 따라 도체의 비저항 값은 매우 작다.

 

부도체 : 에너지 갭이 매우 크므로 아주 센 전압(유전파괴)을 걸지 않으면 가전대의 전자들이 전도대로 올라갈 수 없다. 이에 따라 전류가 형성되지 않으므로 비저항 값이 매우 큰 값을 갖게 된다.

 

반도체 : 에너지 갭이 부도체 보다 작다. 이에 따라 열에너지에 의해 약간의 전자들이 전도대로 올라갈 수 있다. 그러나 전류를 흘리기 위해서는 높은 전압이 필요하다. 이에 따라 반도체의 비저항 값은 도체와 부도체의 비저항 값의 사이에 있는 값을 갖게 된다.

 

 

 

 

 

 

전공자는 아니지만.. 조금씩 하다보면 잘 알 수 있겠지?

 

 

 

 '과학도를 위한 반도체와 전자회로의 기초' 책을 공부하여 작성 하였습니다.