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반도체

금속과 절연체 중간의 전기 저항을 가진 고체를 반도체라 한다. 반도체를 이용해서 만들어진 다이오드. 트랜지스터 등은 라디오. 텔레비전에서 전자 계산기에 이르기까지 널리 이용되고 있다.

고체 전자의 띠 모형

고체의 에너지 띠

固體－energy－ 원자핵 주위를 운동하고 있는 전자는 몇 개의 특정 궤도에서만 운동할 수 있다. 이 때문에 원자 내를 운동하는 전자가 가질 수 있는 에너지도 어떤 특정의 에너지에 국한되며, 그것을 에너지 준위라 부르고 있다. 원자 내에 있는 전자는 이들 에너지 준위가 낮은 쪽에서부터 채워진다. 그런데 이와 같은 원자 여러 개를 간격 d로 바둑판의 눈금과 같이 배열해 놓았다고 하자. 원자의 에너지 준위는 근처에 다른 원자가 있으면 그들로부터 영향을 받아서 원자가 1개 존재할 때보다 약간 달라진다. 그러나 d가 아주 크면 다른 원자로부터의 영향은 작아지므로, 그 에너지 준위는 원자가 1개뿐일 때와 거의 같을 것이다. 또, d를 점점 작게 한다면 이것은 고립된 원자에서 고체를 만들어 가고 있는 것에 해당된다. 그러면 이웃한 원자는 차츰 강하게 영향을 미치므로 그 에너지 준위는 변화하게 된다. 이때, 안쪽궤도의 반지름이 작은 궤도를 돌고 있는 전자는 인접한 원자의 영향을 많이 받지 않기 때문에 그 에너지 준위의 변화도 작을 것이다. 한편, 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자는 영향을 크게 받으므로 그 에너지 준위의 변화도 클 것이다. 고체 상태가 되었을 때의 원자간 거리를 d0라 하면, d0에 있어서 실선의 위치에서의 에너지 준위가 고체 내의 전자의 에너지 준위가 된다. 고체 내의 전자 에너지 준위는 어떤 범위에 밀집해서 띠 모양으로 존재하고 있다. 이와 같이 띠 모양으로 분포되어 있는 에너지 준위를 에너지 띠라 한다. 원자가 모여서 고체를 만들면, 원자 에너지 준위가 고체 에너지 띠로 변한다. 이와 같은 현상은 고립된 원자에서는 전자가 1개의 원자 내에서만 운동하는데 비해 고체에서는 인접한 원자의 영향으로 이 전자가 인접한 원자로 이동할 수도 있고 다시 그 이웃에 있는 원자로 이동하는 식으로, 다수의 원자를 순회하면서 운동하게 되는 운동 상태의 변화에 의해서 일어난다.

금속과 절연체

金屬－絶緣體 원자가 모여서 고체를 만들 때, 이 에너지 준위는 에너지 띠를 만들고, 전자는 이들 에너지 준위가 낮은 쪽에서부터 차례로 채워 나간다. 이때 전자의 수에 따라 어떤 에너지 띠까지의 에너지 준위는 완전히 차게 되지만, 그 다음의 띠는 비어 있는 경우와, 반만 채워진 경우가 있다. 이때 가장 높은 에너지 준위에 배치된 전자는 만약 이 고체에 전기장을 가하면, 바로 위에 비어 있는 에너지 준위로 쉽게 이동하여(속도로 말하면, 속도가 증가되어) 전류가 흐르게 된다. 따라서, 에너지 띠의 중간까지 전자로 채워져 있고, 그 위의 에너지 준위가 있는 고체는 전기의 양도체이다. 금속은 이 경우에 해당된다. 이와 같이 반만 전자로 채워지고 그 위가 비어 있는 에너지 띠를 전도 전자 띠라 한다. 한편 어느 띠나 전자가 모두 채워져 있으면, 여기에 전기장을 가해도 어느 전자도 그 운동 상태를 바꾸는 것이 쉽지 않으므로 전류도 흐르지 않는다. 에너지 띠 내에서의 전자 분포가 이러한 고체는 절연체이다. 이때 전자로 채워져 있는 가장 위쪽 에너지 띠를 가전자 띠라 한다. 가 전자 띠의 가장 위의 준위와, 그 위에 있는 비어 있는 띠 중 가장 밑에 있는 준위와의 에너지 차를 에너지 갭(gap)이라 한다.

진성 반도체

반도체의 비저항

半導體－比抵抗 여러 가지 물질의 전기 비저항을 추정해 보면, 비저항이 매우 큰 물질(절연체)과 매우 작은 물질(도체) 외에 이들 중간의 비저항을 가진 물질이 있다. 이것을 반도체라 한다. 반도체의 예로서는 순수한 게르마늄이 있다. 게르마늄은 온도가 높아지면 비저항은 작아지고, 온도가 낮아지면 비저항은 급격히 커진다. 이것이 반도체의 비저항의 대표적인 온도에 따른 변화이다. 이것을 금속 비저항의 온도에 의한 변화와 비교해 보자. 금속의 예로 텅스텐을 보면, 그 비저항은 온도와 거의 비례해서 변화하며, 금속의 온도가 높아지면 비저항도 커진다. 반도체의 비저항은 온도가 높아지면 금속의 경우와는 반대로 감소되며, 또 그 온도에 의한 변화 정도는 금속의 경우보다도 크다. 일반적으로 반도체는 이와 같은 특징을 가지고 있는데, 반도체의 가장 큰 특징은 다음에 설명하는 에너지 띠의 구조이다.

진성 반도체의 에너지 띠

眞性半導體－energy－ 불순물 등을 함유하지 않은 순수한 물질로 반도체가 되는 것을 진성 반도체라 한다. 저온 상태에 있는 진성 반도체의 에너지 띠를 연구하면, 가전자 띠는 전자로 전부 채워져 있고 전도 전자 띠는 완전히 비어 있다. 이 상태는 앞에서 본 절연체의 에너지 띠와 같은 것이다. 실제로 진성 반도체의 온도를 절대온도 0도 가까이까지 내리면, 그 전기 비저항도 매우 커지며 절연체가 된다. 반도체는 절연체와 같은 에너지 띠 구조를 가지고 있는 것이다. 반도체와 절연체가 다른 점은 전도 전자 띠와 가전자 띠의 에너지 차를 나타내는 에너지 갭 Eg가 절연체에서는 크고 반도체에서는 작다는 것이다. 그렇기 때문에 저온에서는 절연체나 반도체나 모두가 비저항이 매우 크지만, 온도가 상승되면 절연체는 여전히 비저항이 큰 데 비해, 반도체는 비저항이 어느 정도 작아지는 것이다. 저온 상테에 있는 게르마늄 고체의 원자 배열을 평면적으로 나타내면, 어느 게르마늄 원자의 주위에도 4개의 원자가 있는 것이 나타난다. 한편 게르마늄은 Ⅳ족 원소이고, 원자 속의 최외각 전자가 4개이다. 그래서 인접한 원자와 전자를 1개씩 내어 공유 결합을 하면, 어느 원자 주위에도 8개의 전자가 있게 됨으로써 모든 원자가 안정되게 된다. 즉, 저온 상태에 있는 결정에 전압을 걸어도 어느 전자도 단단하게 공유 결합을 해서 움직일 수 있으므로 전류는 흐르지 않는다. 따라서, 이 상태에서는 절연체이다. 이것을 에너지 띠 측면에서 말한다면, 열 에너지에 의해 가전자 띠의 전자의 일부분이 전도 전자 띠에 연결되어 이 전도 전자 띠로 올라간 전자는 자유로이 움직일 수 있는 자유 전자가 된다는 것이다. 한편, 가전자 띠에 생긴 전자의 공석은 물 속의 거품처럼 가전자 띠 속을 자유로이 움직인다. 이것이 자유 홀이다. 에너지 갭이 크면 적은 열 에너지로는 가전자 띠의 전자가 전도 전자 띠에 들뜰 수 없으므로 절연체 상태 그대로이다. 그러나 에너지 갭이 작으면, 작은 열 에너지에서도 가전자 띠의 전자가 전도 전자 띠로 들뜰 수 있으므로 온도가 높아지면 자유 전자와 자유 홀이 생긴다. 이들은 모두 전류를 운반할 수 있으므로. 그 비저항은 매우 작아지게 된다.

유효 질량

有效質量 전도 전자 띠에 있는 전자나 금속 내의 전자는 고체 내를 자유로이 움직일 수 있는 자유 전자이다. 그러나 이들 전자는 자유로이 움직일 수는 있지만, 반도체 원자나 금속 이온으로부터 힘을 받고 있으므로 전자가 진공 속에 있을 때와 같이 완전한 자유 상태는 아니다. 그 차이는 전자의 질량에서 나타난다. 즉 고체 내의 자유 전자는 전자의 실제 질량 m0와는 다른 실효적 질량 m0을 가지고 있는 것이다. 이 실효적 질량을 고체 내 전자의 유효 질량이라 한다. 게르마늄 안의 전자의 유효 질량 m은 0.12m0 이고, 금속에서는 m가 mo와 비슷한 정도이다.