[물리전자] 3.2.5 도체, 부도체, 반도체(Metal, Insulator, Semiconductor)

 

CHAPTER 3

​

Introduction to The Quantum Theory of Solids

 

3.2.5 Metals, Insulators, and Semiconductors

지난 글에서 우리는 전자와 정공에 대한 유효 질량에 대한 정의에 대해 알아보았습니다.

오늘은 도체, 부도체, 반도체에 대한 각 에너지 밴드를 통해 물질의 전기적 특성이 어떤 차이점에 의해 변하는지 알아보겠습니다.

 

모든 결정(Crystal)들은 고유의 에너지 밴드 구조를 가집니다.

Chapter 3.1에서 실리콘 결정의 에너지 밴드 형성에 대해 간단하게 다뤘지만, 실제 에너지 밴드의 형성 과정은 매우 복잡합니다.

여러 다른 원자들로 구성된 결정(Crystal)의 경우, 해당 원자에 대한 전기적 특성이나 밴드 구조를 알아야 되기 때문이죠.

 

때문에, 아래의 그림처럼 간단하게 정성적으로 도체와 부도체, 그리고 반도체에 대한 에너지 밴드에 대해 알아보겠습니다.

위의 Figure 3.19, Figure 3.20, Figure 3.21은 에너지 밴드가 형성될 수 있는 모든 경우에 대한 그림입니다.

 

1) 부도체(Insulator)

먼저, 부도체에 대해 알아볼까요? 부도체라는 것은 쉽게 말해서 전기가 잘 통하지 않는 물질입니다.

Figure 3.19a 는 허용 에너지 밴드 내에 전자가 하나도 없고, Figure 3.19b는 허용 에너지 밴드가 전자로 가득찬 것입니다.

 

Figure 3.19a의 경우, 전자가 없기 때문에 외부에서 전기장을 가하더라도, 움직일 전하가 없기 때문에 전류가 흐르지 않고,

Figure 3.19b의 경우, 허용 에너지 밴드 내의 모든 에너지 상태(Energy States)가 가득 찼기 때문에 전류가 흐르지 않습니다.

( p81 : We argued in the previous section that a completely full energy band will also not give rise to a current.

관련 내용은 p78-p79 에 서술되어 있으니 참조 바랍니다. )

 

결론적으로 Figure 3.19a, Figure 3.19b 와 같은 상황에서는 전류가 흐르지 않는 부도체인 것을 알 수 있습니다.

이러한 부도체는 매우 큰 저항을 가지며 전기 전도성이 매우 작다는 것으로도 해석할 수 있습니다.

 

Figure 3.19c는 단순화하여 표현한 부도체(insulator)의 에너지 밴드입니다.

대부분의 부도체의 밴드갭 에너지(Bandgap Energy)는 3.5eV~3.6eV 정도이며 그 이상인 경우도 있습니다.

 

2) 반도체(Semiconductor)

이번엔 반도체에 대해 알아볼까요?

반도체라는 것은 쉽게 말해서 외부 조건에 의해 전기가 잘 통하거나 잘 통하지 않는 물질입니다.

Figure 3.20a, Figure 3.20b와 같이 허용 에너지 밴드 내의 에너지 상태(Energy States)가 일부만 찼거나, 대부분이 채워진 경우입니다. 만약, 외부에서 전기장을 가하게 되면 전자들은 에너지를 얻게 되어 더 높은 에너지 상태를 갖게 되며 결정(Crystal) 안에서 거동합니다. 즉, 전류가 흐른다는 것입니다.

 

Figure 3.19c는 단순화하여 표현한 반도체(Semiconductor의 에너지 밴드이며, T>0K일 때의 반도체의 에너지 밴드를 표현한 겁니다. 반도체 물질의 밴드갭 에너지(Bandgap Energy)는 대략 0.5~3eV 정도이며, Si 의 경우 약 1.12eV로 알려져 있습니다.

 

3) 도체(Metal)

이번엔 금속 또는 도체에 대해서 알아보겠습니다.

도체라는 것은 쉽게 말해서 전기 저항이 매주 작아 전기가 매우 잘 통하는 물질입니다.

 

도체의 에너지 밴드를 표현하면 Figure 3.21a 와 Figure 3.21b와 같이 두 가지로 표현할 수 있습니다.

특히, Figure 3.21b 를 보면 전도대(Conduction Band)와 가전자대(Valence Band)가 서로 겹쳐있는 것을 확인할 수 있습니다.

두 가지 경우에 대한 공통점은 전자가 거동하기 용이한 상태로, 두 경우 모두 전류가 쉽게 흐를 수 있는 상태입니다.

 

 

오늘은 에너지 밴드(Energy Band)를 통해 도체와 부도체, 그리고 반도체에 대해 알아보았습니다.

다음 글에서는 상태 밀도 함수(Density of States Function)에 대해 알아보겠습니다.

 

감사합니다.