금속,반도체, 및 절연체

에너지대역의 성질

 인가 전계에서 전자들은 가속되기 위해 새로운 에너지 상태로 옮겨 갈 수 있는데 이는 전자가 점유할 수 있는 빈 상태(아직은 전자가 점유하고 있지는 않으나 그들이 점유할 수 있는 에너지 상태)가 존재해야 한다는 것을 암시한다. 예를 들어, 비어 있어야 할 에너지대역에 비교적 적은 수의 전자가 머물러 있다면, 아직 채워지지 않은 많은 에너지상태들은 그곳으로 전자들이 이동하여 채워질 수 있다. 한편, 실리콘 대역구조에서 가전자대역은 0K에서 전자들로 완전히 채워지며 전도대역은 비워져 있다. 전자가 이동하여 들어갈 수 있는 빈 상태가 하나도 없기 때문에 가전자대역 내에서는 전하의 전송이 있을 수 없다. 전도대역에 전자가 하나도 없어서 전하의 전송 역시 생길 수 없다. 따라서 실리콘은 절연체의 전형적인 높은 저항을 갖는다고 볼 수 있다.

 0K에서의 반도체 물질은 근본적으로 절연체와 같은 에너지 대역구조를 갖고 있다. 즉,(전자가 하나도 없이) 빈 전도대역으로부터 허용된 에너지 상태가 하나도 포함되어 있지 않은 대역간극만큼 떨어져서 전자로 충만된 가전자대역이 있다. 다만 차이는 대역간극 Eg의 크기에 있으며 반도체가 절연체보다 매우 작다. 예를 들어, 다이아몬드 구조는 5eV에 비해 반도체 Si는 약 1.1eV이다. 이처럼 반도체의 비교적 작은 에너지 대역간극으로 인해 적당한 크기의 열적 또는 광학적 에너지로서 낮은 가전자대역으로부터 높은 전도대역으로의 전자의 여기가 생겨난다. 실온에서 1eV의 대역간극을 가진 반도체를 예를 들면 상당한 수의 전자가 열적으로 여기되어 에너지간극을 넘어 전도대역으로 가는 데 반하여, Eg=10eV인 절연체는 이상과 같은 여기된 것의 수는 무시할 수 있을 정도이다. 따라서 반도체와 절연체의 중요한 차이는 전도에 기여할 수 있는 전자수가 반도체에서는 열적 또는 광학적 에너지로 크게 증가될 수 있다는 것이다.

 금속체에서는 이 에너지대역들이 겹쳐지거나 부분적으로 충만되어 있다. 따라서 대역내에서 전자와(전자가 점유하지 않고 있는) 빈 에너지상태가 서로 혼합되어 있어서, 전자들은 외부전계의 영향하에서 자유롭게 이동할 수 있다.

 

반도체의 전하 캐리어

 금속원자는 비교적 운동이 자유로운 전자들의 바다 속에 잠겨 있어, 이들 전자는 전계의 영향을 받아서 집단적으로 움직일 수 있다. 이 자유전자의 견해는 너무나 단순화된 것이나, 금속의 여러 가지 중요한 전도 특성들이 바로 이와 같은 모형으로부터 유도될 수 있다. 그러나 이 방법으로 반도체의 전기적 성질 전부를 설명할 수는 없다. 반도체는 0K에서 충만된 가전자 대역과 비어 있는 전도대역의 전자가 증가하는 것을 고려해야 한다. 또 전자가 전도대역으로 여기 된 후 가전자애역에 남아 있는 빈 에너시아태가 전도과정에 기여할 수 있다. 불순물의 첨가는 이 에너지 대역구조와 전하 캐리어들의 이용도에 있어 중요한 영향을 준다. 따라서 반도체의 전기적 성질을 조절하는데 있어 상당한 융통성이 있다.

 

 반도체의 온도가 0K로부터 상승함에 따라 가전자대역의 일부 전자는 에너지 대역간극을 지나 전도대역까지 여기되는 데 충분한 열에너지를 받게 된다. 그 결과 그렇지 않으면 비어 있어야 할 전도대역에 일부 전자가 있고, 또 그렇지 않으면 충만되어 있을 가전자대역에 일부 빈 에너지상태를 갖는 물질이 된다. 편의상 가전자대역의 빈 상태를 정공이라 한다. 전도대역의 전자와 가전자대역의 정공이 가전자상태에 있는 전자의 전도대역으로 여기로써 생성된다면 이들을 전자-정공쌍(electron-hole pair, EHP)이라 한다. 전도대역으로 여기된 다음에 전자는 아직 채워지지 않은 많은 수의 에너지상태로 둘러 싸인다. 예를 들어, 실온에서 순수한 Si에서의 열적 평형이 이루저 졌을 때의 전자-정공쌍 수는 Si 원자의 밀도가 5x10^22 원자/cm^3 인 데 비하여 단지 약 10^10EHP/cm^3에 불과 하다.따라서 전도대역의 소수의 전자가 많은 전자가 차지할 수 있게 비어 있는 에너지 상태를 경유하여 자유롭게 움직일 수 있게 비어 있다.