(일반화학)고체 상태 결합과 반도체의 원리
전자 전도체의 기본 개념
금속과 반도체는 비편재된 전자에 의해 전류가 흐르는 전자 전도체(electronic conductor)입니다.
도체(conductor)는 전기 또는 열을 전달하는 물질로, 전도체(electrical conductor)란 말 그대로 전기의 도체, 전기를 잘 전도하는 물질이란 의미입니다. 여기서 전기를 전달하는 능력을 전기 전도도(electrical conductivity)라고 하며, 전도체는 전기전도도가 큰 물질입니다.
금속성 전도체(metallic conductor)는 온도가 증가하면 전기 전도도는 감소하는 전자 전도체입니다. 금속의 전기전도는 자유전자로 인해 일어나는데, 온도가 올라가면 격자진동의 방해를 받아 전도도가 떨어지기 때문입니다.
반도체(semiconductor)는 온도가 높아질수록 전기 전도도가 증가하는 전자 전도체입니다. 대부분의 금속 전도체는 반도체보다 훨씬 큰 전기 전도도를 갖지만 두 형태의 전도체는 전도도의 온도 의존성으로 구별합니다.
전도체에 대응하는 것으로 전기가 통하지 않는 물질, 전류를 흐름을 차단한 물질을 절연체(insulator)라고 합니다. 일부 금속은 약 20K 이하의 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 없는 초전도체(superconductor) 특성을 보이기도 합니다. 고온 초전도체는 기술적 측면에서 한 스텝 도약할 수 있게 했습니다. 강력한 자기장을 만드는 고온의 전류를 흐르는 것이 가능케 했는데, 자기부상열차는 금속의 초전도체를 이용하여 발명품의 대표적인 사례입니다.
고체의 결합
고체 결합과 전자 전도는 분자 궤도함수로 설명할 수있습니다. 분자 궤도함수 이론에 의하면 다원자 분자에서 전자의 비편재화는 분자 전체에 걸쳐 결합 효과를 퍼지게 합니다. 고체 물질에서 보면, 분자 궤도함수 이론은 고체를 하나의 거대 분자로 다루어 고체 전체에 퍼져 있는 '분자 궤도 함수'에 원자가전자가 채워지는 모양으로 고체의 전기적 특성을 설명합니다. N개의 원자 궤도함수가 합쳐지면 N개의 분자 궤도함수가 만들어집니다. 금속의 경우 N개의 분자 궤도함수가 아주 거대합니다.
고체의 분자 궤도함수들은 에너지가 비슷하여 거의 연속적인 띠를 형성합니다. 비어거나 완전히 차지 않은 분자 궤도함수를 전도띠(conduction band)라고 부릅니다. 서로 이웃한 궤도함수들은 에너지가 거의 비슷하여 전자가 분자궤도 함수에서 전도띠의 빈 궤도함수로 쉽게 이동할 수 있습니다. 필요한 에너지가 매우 작기 때문입니다. 전도띠의 전자는 고체를 자유롭게 통과하여 전류가 흐르도록 합니다.
온도가 올라가면 전자가 이동할 때 진동하는 원자와 부딪치게 되어 전류의 흐름이 방해를 받게 됩니다. 온도가 증가하면 이러한 이유로 금속의 저항도가 증가하게 되는 것입니다.
절연체에서는 원자가전자가 가능한 모든 분자 궤도함수를 꽉 채우는 데 이를 원자가띠(valence band)라고 합니다. 고체의 꽉 찬 원자가띠는 비어 있는 전도띠로부터 많이 떨어져 있는데, 이 떨어진 간격을 띠간격(band gap)이라고 부릅니다. 원자가띠에 있는 전자가 전도띠로 들뜨기 위해서는 상당한 너비의 띠간격을 이동할 수 있을 만큼의 큰 에너지가 필요하기 때문에 결국 고체는 전류가 흐르지 않게 됩니다.
반도체의 원리와 종류
반도체에서는 꽉 찬 원자가띠가 비어있는 전도띠가 에너지 측면에서 가깝습니다. 고체의 온도가 올라가면 띠간격을 넘어 전자는 원자가띠로부터 전도띠로 들뜰 수 있습니다. 따라서 온도가 증가하면 더 많은 전자가 들뜨게 되어 반도체의 저항은 감소합니다.
반도체를 개조하여 원자가띠로부터 제거하거나 전자를 전도띠에 첨가하여 원자가띠로부터 제거하여 전류가 더 잘 흐르게 할 수 있습니다. 방법으로는 고체를 화학적으로 혼입(doping)하거나 소량의 불순물을 전체에 뿌리는 등의 방법이 있습니다.
반도체의 종류에는 크게 3가지가 있습니다. n형 반도체, p형 반도체, p-n 접합(p형 반도체와 n형 반도체가 결합)입니다.
n형 반도체에서 혼입된 잉여 전자 원자에 의해 제공된 여분의 전자는 전도띠에 들어가 전류를 흐르게 합니다.
p형 반도체에서 전자가 부족한 원자가 혼입되면 원자가띠로부터 전자가 제거되어 결과적으로 형성된 '구멍'이 나머지 전자가 움직일 수 있게 하여 원자가띠 속으로 전류를 흐르게 합니다.
p-n 접합구조는 전류를 한쪽 방향으로 흐르도록 합니다.