02. 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram)

앞서 에너지 밴드란 무엇인지, 에너지 밴드의 형성 과정을 몇 가지 경우에서 살펴보았다.

 

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01. 에너지 밴드(Energy band)의 형성 과정

이번 게시물에서는 에너지 밴드하면 흔히 떠오르는 그림인 다이어그램에 대해 알아보고자 한다.

 

#1. 에너지 밴드 다이어그램

우리가 집중적으로 다루어야 할 것은 Si, 반도체에 대한 다이어그램 이므로,  이해를 돕기 위해 전 게시물에서 배웠던 Si 결정의 에너지밴드 그래프에서 다이어그램을 표현하고자 한다.

 

energy-band diagram of semiconductor

서로 다른 Si 원자들이 단결정을 형성하는 거리 $a_0$ 에서, 음영이 있는 공간이 허용 에너지 밴드이고, 빈 공간이 금지 에너지 밴드이다. 

좌측 그림의 위쪽 빨간색 부분을 우측에 그대로 옮기면 '전도대' 라고 하고, 아래 빨간색 부분은 '가전자대' 라고 한다.

여기서 기억해야 할 부분은, 가전자대의 아래쪽에 위치하는 전자가 가장 낮은 에너지를 갖는 전자라는 것이다.

(빨간색 에너지 축 참고)

 

• 가전자대(Conduction Band) : 결정을 이루는 원자 간 결합에 기여하는 최외각 전자들이 가지는 에너지의 밴드                                                              전자들이 결합에 묶여있으며,  0K에서 모든 전자가 가전자대에 존재한다.

• 전도대(Valance Band) : 전자가 가전자대의 가장 높은 에너지준위 이상의 에너지 상태에 놓일 때 갖는 에너지의 밴드                                          전자들이 원자 사이를 자유롭게 이동 가능하며, 0K에서 전자가 없이 비어있는 상태이다.        
• 밴드갭(Band Gab, $E_g$) : 전도대의 가장 낮은 에너지 준위 $E_c$ 와 가전자대의 가장 높은 준위 $E_v$ 의 차이

앞으로 반도체에 대해 공부하면서, 가장 많이 다루고 가장 중요한 내용이므로 꼭 기억하도록 한다.

 

 

 

물질의 특성에 대한 에너지밴드 다이어그램은 아래와 같이 나타낸다.

	$E_g$	상온 캐리어	전도도	캐리어 이동도
도체	극소 or 존재x	매우 많음	매우 높음	매우 높음
반도체	0.5eV~3eV	소량	소량	높음
부도체	3.5eV 이상	x	x	매우 낮음

• 캐리어 : 전하를 가지고 이동 가능한 입자, 일반적인 학부지식으로는 전자와 정공(hall) 두 가지가 있다.
• 전도도 : 전압이 인가되었을 때 전류가 흐르는 정도
• 캐리어 이동도 : 캐리어가 얼마나 이동하기 쉬운지를 나타내는 단위.

 

 

뒤에서 더 자세하게 배울 단어들이니, 간단하게 정리된 표를 보고 넘어가도록 하자.