[물리전자] 3.2.1 에너지 밴드와 원자가 결합 이론(The Bond Model)

 

CHAPTER 3

​

Introduction to The Quantum Theory of Solids

 

3.2 Electrical Conduction in Solids

지난 글에서 에너지 밴드에 대해서 알아봤습니다. 에너지 밴드를 통해서 쉽게 반도체 소자의 전류-전압 특성을 기술할 수 있다고 했었죠?이번 글에서는 에너지 밴드(The Energy Bond)와 원자가 결합 이론(The Bond Model)에 대해 알아보겠습니다.

 

3.2.1 The Energy Band and the Bond Model

다음 그림을 보면서 같은 물리적 현상에 대해 기존의 원자가 결합 이론보다 에너지 밴드가 더 쉽게 표현됨을 알아보겠습니다.

 

Figure 3.12는 T=0K 일 때, 실리콘 원자의 공유 결합을 2차원 상에서 표현한 그림입니다. 각각의 실리콘 원자들은 8개의 원자가 전자들의 공유 결합에 의해서 가장 낮은 에너지 상태를 유지합니다. 이러한 상태에서 T>0K에서 온도가 점점 증가하게 되면, 전자들이 충분한 열 에너지를 받아 공유 결합을 깨고 자유 전자가 되어 결정 내를 이동하게 됩니다. 이 현상에 대해 두 가지 표현 방식이 있는데, 그것이 바로 Figure 3.13a 와 Figure 3.13b 입니다. Figure 3.13b가 훨씬 더 간결하게 표현할 수 있음을 알 수 있죠.

 

또 다른 표현 방법도 있습니다. 바로 E-K diagram을 활용하는 방법인데요. 아래 사진을 보겠습니다.

Figure 3.14a의 사진은 T=0K일 때, 전도대(Counduction Band)와 가전자대(Valence Band)의 E-K diagram이고,

Figrue 3.14b의 사진은 T>0K일 때, 전도대(Counduction Band)와 가전자대(Valence Band)의 E-K diagram입니다.

즉, 가전자대(Valence Band)에서 비교적 높은 에너지를 갖는 전자부터 충분한 에너지를 받아 전도대로 여기되는 것을 표현한 것입니다.

 

일반적으로 반도체는 전기적으로 중성입니다. 이것이 의미하는 것은 에너지를 받은 전자가 전도대(Conduction Band)로 여기되는 순간과 동시에 가전자대(Valence Band)에 (+) 전하를 띠는 빈 상태가 생성된다는 것을 의미합니다. 이를 정공(Hole)이라고 정의합니다.

 

오늘은 외부 에너지에 의해 공유 결합을 깨고 나온 전자에 대해 다양한 방법으로 표현해보았습니다.

앞으로 오늘 다룬 방법을 통해 전자의 움직임을 생각하며 반도체 내에서 소자의 전류-전압 특성을 알아나갈 것입니다.

다음 글에서는 전자의 이동으로 인해 발생하는 Drift Current에 대해 다루겠습니다.

감사합니다.