처음에 트랜지스터의 원리에 대해 간단하게 이해하려고 반도체에 대해 공부하다가 에너지 밴드라는 것을 알게 되었다. 정말 끝이 없다. 언제쯤 이것들을 정리할 수 있을까...
Energy band(에너지 띠), 처음에 들었을 때는 이건 또 뭔가... 싶었지만 알고보니 중학교 때 들어봤던 것 같다. 그 때의 기억을 회상하며 다시 해보자.
에너지 준위
원자 및 분자가 갖는 에너지의 값이다. 전자를 끌어당기는 원자핵에서 가까울수록 낮고 멀어질수록 높다. 에너지 준위가 높은 전자는 자유전자가 되기 쉽다. 그래서 최외각에 위치하는 전자는 원자간의 결합에 영향을 미치게 되는데 '원자가 전자'라고도 부른다.
전자는 진동, 열, 빛이나 전자파의 조사, 다른 입자와의 충돌 등 에너지의 흡수 등으로 인해 에너지를 받게되면 에너지 준위가 더 높은 전자껍질로 이동하게 되는데, 이런 상태의 전자를 '들뜬 상태' 또는 '여기 상태'라고 한다. 반대로 가장 안정된 낮은 에너지 준위 상태를 '바닥 상태' 또는 '기저 상태'라고 한다.
높은 에너지 준위로 들뜬 상태에 있던 전자는 불안정하여 안정된 상태의 낮은 에너지 준위로 돌아가려고 한다. 이 때 전자가 낮은 상태의 에너지 준위로 떨어지면서 빛이나 전자기파, 방사선 등의 에너지를 방출하게 된다.
에너지 띠(energy band)
결정 속에는 이온 껍질에 의한 주기적인 전기장이 존재하며, 이에 따라 결정 속에 전자가 가질 수 있는 에너지가 제한된다. 결정 속 전자가 존재할 수 있는 에너지 영역을 에너지 띠라고 부른다.
솔직히 나도 이게 뭔 소리인지는 잘 모르겠다. 어쨌든 에너지 준위에는 아래 그림과 같이 전자가 있을 수 있는 허용된 띠와 전자가 있을 수 없는 띠틈이 있다.
개인적으로 이 블로그에서 설명하는게 가장 잘 이해된다.
원자가띠와 전도띠
원자 내부의 전자들은 허용된 띠의 가장 낮은 에너띠부터 채워나가는데, 전자가 존재하는 가장 높은 에너지띠를 원자가띠라고 한다. 원자가띠에는 전자가 채워져있는데, 이 전자가 열에너지나 전기장으로부터 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지띠로 전이하면 고체 내부에서 자유롭게 이동할 수 있다.
고체 내부에서 자유롭게 이동하는 전자를 자유전자라고 하며, 자유전자가 이동하여 전류가 흐르게 된다. 그래서 원자가띠 위에 있는 에너지띠를 전도띠라고 한다. 반도체와 부도체에서는 원자가띠 위에 띠틈이 있고, 그 위에 전도띠가 있다. 전도띠에는 전자가 차 있지 않아서 전도띠로 전이된 전자는 아주 작은 에너지를 주어도 자유전자가 된다. 전자가 원자가띠에서 전도띠로 전이하면 원자가띠에 전자가 비어 있는 (+) 성질을 띠는 부분이 생기게 되는데 이를 양공(holes) 또는 정공이라고 부른다.
마치며
솔직히 너무 깊게 파고든 것 같다. 지금 내게 중요한 것이 무엇인지 다시 한 번 생각해보자.
참고
[반도체 이야기] 5. 에너지 띠(energy band)
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