[물리전자] 에너지밴드(Energy band) (2)

1. 밸런스 밴드/컨덕션 밴드(Valance band/Conduction band)

이전에 설명했던 상위밴드와 하위밴드를 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드라고 지칭한다. 기호로 Ev, Ec라고 하며 가전자대와 전도대라고도 표현한다. 전자는 기본적으로 낮은 에너지 상태부터 채우게 되는데 이 과정에서 더 이상 채울 수 없는 밴드가 생기게 된다. 이때 전자가 꽉 차지 않고 비어있는 밴드가 존재하는데 이 밴드를 conduction band 바 한다. 그 바로아래에 있는 전자가 꽉 차있는 에너지 밴드를 Valance band라 한다. 이 두 밴드사이의 차이(간극)를 밴드갭(band gap)이라고 한다. 즉 밸런스 밴드에 있는 전자들이 밴드갭이상의 에너지를 받으면 컨덕션 밴드로 전이될 수 있다. 컨덕션 밴드에서는 전자들이 꽉 차지 않고 비어있기 때문에 전자들의 이동이 자유롭고 전도가 될 수 있다. 따라서 이 영역에 속하는 전자는 전류가 흐를 수 있도록 하는 캐리어(Carrier)의 역할을 수행할 수 있다.

원자구조에서 결합을 탈출하고 전자가 형성된 것을 나타낸 것이다. 이를 밴드상황으로 해석하면 밸런스 밴드에 있던 전자가 에너지를 받아서 컨덕션 밴드로 전이된 것이다. 탈출한 전자는 전기적 특성에 영향을 미칠 수 있으며 자유롭게 움직일 수 있다.

 

2. 전자와 양공(Electrons and Holes)

이번에는 전자와 양공에 대해서 한번 알아보자. 전자가 에너지를 흡수해서 밸런스 밴드에서 컨덕션 밴드로 전이될때 원래 래 전자가 있던 자리에 구멍이 생기게 된다. 이 자리는 원래 전자가 있던 자리에서 전자를 잃은 것으로 간주되어서 전기적으로 +를 띠게 된다. 이를 우리는 양공이라고 한다. 양공이 생기면 컨던션 밴드에는 자유전자가 생긴다는 것을 알 수 있다. 즉 양공과 전자의 갯수는 같으며 1:1로 쌍으로 생성된다는것을 알수있다.

전자와 양공의 생성

위와 같이 밴드의 전이로 전자와 양공의 쌍이 생성되며 양공은 전기적으로 +, 전이된 자유전자는 전기적으로 -를 띤다. 분자결합의 관점에서 보면 에너지를 받아 공유결합이 부서지면서 양공이 생기고 자유전자가 발생된다고 생각할 수 있다. 전기적인 입장에서 양공과 전자의 흐름으로 전류가 생기며, 전류의 방향은 양공과 동일하고 전자의 이동방향과는 반대이다. 양공은 전자가 빠져나간 자리에 생기는 것이므로 전자와 양공의 이동방향은 반대이다.

 

3. 도체, 부도체, 반도체의 밴드특성(Metals, Insulators, Semiconductors)

일반적으로 도체와 부도체, 반도체의 전기적인 특성이 다르다. 전기적인 특성이 다른만큼 각각의 밴드의 특성과 분포도 다른데 각 물질마다 어떤 식으로 다른 밴드 특성을 갖는지 한번 알아보자.

 

-도체(Metals)

도체는 자유전자가 많기 때문에 전자의 이동이 자유롭다 따라서 전류가 매우 잘 흐른다는 특성이 있는데 도체의 밴드형성은 다음과 같이 형성되어 있다.

도체의 밴드형성

도체의 밴드분포는 컨덕션 밴드에 위치한 최외곽 전자들이 일부분 위치하는 형태로 밴드가 형성되어 있거나 컨덕션밴드와 밸런스 밴드가 일부분 오버랩되어 있어서 전자의 전이에 상관없이 상위밴드의 전자의 자유로운 이동이 가능한 형태로 밴드가 형성되어 있다. 즉, 온도에 관계없이 전류가 잘 흐를 수 있는 상태가 계속 유지될 수 있다는 것을 의미한다. 특히 오버랩된 경우에는 에너지 밴드갭이 거의 0이므로 전자가 자유롭게 이동해서 전류가 잘 흐를 수 있다.

 

-부도체(Insulators)

부도체는 도체와는 반대로 자유전자가 존재하지 않고 전자의 이동이 거의 없어 전류가 거의 흐르지 않는다는 특성을 가지고 있다. 밴드형성 역시 밴드갭이 매우 커서 상온의 에너지로는 전자가 전이될 수 없다. 따라서 전류가 흐르지 않게 되는 것이다. 

부도체의 밴드형성

다른 물질보다 에너지 밴드갭이 커서 상온의 에너지로는 전자의 전이가 발생하지 않는다. 따라서 전자의 이동이 제한적이고 전류가 잘 흐르지 않게 되는 물질의 특성을 가지게 된다.

 

-반도체(Semiconductors)

반도체는 도체와 부도체의 사이의 특성을 가지고 있으며 비교적 작은 에너지만 흡수해도 전자의 전이가 쉽게 일어날 수 있다는 특성이 있으며 에너지를 조절해서 상온에서도 전류가 흐를 수 있도록 임의적으로 조절할 수 있다. 

반도체의 밴드형성

부도체와 비교했을 때 비교적 작은 에너지 밴드갭을 가지고 있으며 상온에서도 충분히 상황에 따라서 전류가 흐를 수 있는 환경이다. 따라서 임의적으로 에너지를 조절해서 전류를 흐르게 할지, 흐르지 않게 할지 조절할 수 있으며 이것이 반도체의 특성이다.