고체의 에너지띠 이론과 반도체(도체, 부도체, 반도체, pn접합)

gooseskin.tistory.com/129

원자의 구조와 전기력(쿨롱 법칙, 보어의 원자 모형, 수소 원자 선스펙트럼)

왜 알아야 되죠?

전류가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 물질의 특성을 전기 전도성이라 하며, 물질의 전기 전도성을 정량적으로 나타내는 물리량을 '전기 전도도'라 해. 아래 그림은 물질을 전기 전도도에 따라 분류한 그래프야.

이처럼 물질은 전기적 성질에 따라 도체, 반도체, 부도체로 분류되는데, 무엇 때문에 다이아몬드는 절연체로 구리는 도체로 실리콘은 반도체로 정체성이 결정되는지에 대한 답을 '고체의 에너지 띠 이론'으로 알아볼 거야. 그리고 텔레비전, 컴퓨터, 스마트폰 등 대부분의 전자 제품에 꼭 들어가야 할 반도체의 작동 원리를 통해 순수가 아닌 다양성의 혼합이 가지는 가치를 논해볼거야. 

기출 경향

초반의 문제로 배치되는 만큼 주로 쉽게 출제됨. 정답률 70~80% 

근데 생각보다 애들이 공부를 안 하나 봄. 개념을 알면 정답률 90%에 육박할 문제들인데 60% 정답률을 보이기도 함

반도체 문제는 전류가 만드는 자기장, 전자기 유도, 전자기파 스펙트럼, 중3 때 공부했던 전기 회로 규칙 등 다양한 영역과 연계돼서 출제되는 경향이 있음. (이런 문제는 정답률이 50%~60%로 떨어짐)

1. 고체의 에너지 띠 이론

똑같은 원자가 한 개씩 추가될 때마다 각각의 에너지 준위는 겹치지 않고, 미세하게 벌어진다.

수소 원자엔 전자가 한 개 있었어. 그 한 개의 전자가 있을 수 있는 궤도 에너지 상태는 위 그림의 왼쪽 상태와 같아. 궤도 상태수(n)가 커질수록 인접한 에너지 간격은 점점 좁아지고 있지.

 

우리가 오늘 공부할 주제는 고체야. 고체는 너희들도 알다시피 수많은 원자들이 결합된 구조야.

만약 고체를 이루는 원자가 수소밖에 없다고 극단적으로 가정해보자?

수소 원자가 두 개 있든, 세 개 있든.. 당연히 각각의 수소 원자 내의 전자는 똑같은 궤도 에너지 상태에 있을 거기 때문에 각각의 궤도 에너지 상태가 한 위치에서 겹쳐져야 할 거야. 그렇지만 왜 전자가 있을 수 있는 위치들이(궤도 에너지 상태)미세하게 벌어져 있을까?

 

이를 설명하기 위해 볼프강 파울리는 하나의 양자 상태에 하나의 전자만이 채워져야만 한다는 '파울리 배타 원리'를 제안해. 2개의 원자가 서로 가까워지면 에너지 준위가 서로 겹치게 되는데, 파울리 배타 원리에 의해 하나의 양자 상태에 2개의 전자가 채워질 수 없으므로, 궤도 에너지 상태는 미세하게 둘로 갈라진다는 거야.      

 

만약 전자들이 파울리 배타 원리를 따르지 않는다면 전자는 모두 가장 낮은 에너지 준위에만 있으려 할 것이고, 이는 곧 물질의 붕괴를 의미하지.

 

 

 

고체의 에너지띠

실제 고체 물질은 수많은 원자들이 가까이 뭉쳐 있기 때문에 에너지 준위(=궤도가 갖는 에너지 상태)들이 가깝게 밀집하여 하나의 띠를 형성해. 이 허용된 띠를 확대해보면 수많은 에너지 준위들이 살짝씩 벌어져 있음을 볼 수 있어. 따라서 원자가 띠(or 전도 띠)를 점하는 전자들이 모두 같은 에너지를 가진다는 말은 틀린거야.

 

금지된 띠란 전자가 있을 수 없는 구역을 의미해. 이처럼 고체의 에너지 띠들, 그들 사이의 띠 간격, 에너지 띠에 전자가 채워진 정도가 복합적으로 작용하여 고체의 전기적 특성이 결정되는 거야.

 

①부도체=절연체

부도체의 에너지 띠

부도체가 뭐니? 전류가 안 흐르는 물체야. 즉 전자가 이동하지 않는 물체지.

 

절대 온도 0K 일 때 고체의 전자들은 가장 낮은 에너지 준위(가장 안정한 상태)부터 차례대로 채워져. 이때 어떤 에너지 띠가 전자로 완전히 채워져 있다면 이 에너지 띠를 '원자가 띠'라 하고, 전자가 아예 채워져 있지 않거나 덜 차있는 띠를 '전도 띠'라고 해.

 

이미 전자로 꽉 차 버린 원자가 띠에서는 전자가 이동하기 힘들어. 만약에 원자가 띠의 꼭대기에 있는 전자가 전도 띠로 넘어갈 수 있다면 전도 띠내에서 전자는 마음껏 이동할 수 있게 되지. 전도 띠로 넘어가기 위해서는 전도 띠와 원자가 띠의 에너지 간격(띠 틈)을 뛰어넘을 수 있는 충분한 에너지를 전자에 공급해야 해.

 

다이아몬드의 경우에는 에너지 띠 간격이 매우 넓어서 (띠 간격이 5.5eV에 해당된다. 상온에서의 열에너지로는 전자가 이 띠 간격을 넘어가기엔 택도 없음) 어떤 전자도 상온에서는 뛰어넘을 수 없어. 따라서 다이아몬드는 매우 좋은 부도체야.

 

②도체

(좌) 원자가 띠가 덜 참 (우) 원자가 띠와 전도 띠가 겹침

 

그림에서와 같이 전자가 원자가 띠를 다 채우지 않았거나, 원자가 띠와 전도 띠가 겹쳐서 전자가 비교적 자유롭게 이동할 수 있는 고체가 도체야.

모두 상온의 열에너지로도 충분히 전자가 이동할 수 있는 경우이므로 도체는 상온에서 전류가 잘 흐를 수 있는 거지.

 

③반도체

순수한 반도체는 그림에서 보다시피 원자가 띠와 전도 띠 간격이 부도체일 때보다는 좁기 때문에 상온에서 전자가 전도 띠로 전이될 가능성이 있어.

 

 

 

상온에서 적은 수의 전자가 열 에너지를 얻어 원자가 띠에서 전도 띠로 전이하면 그 전자는 자유 전자가 돼. (전도 띠에서는 전자가 자유롭게 움직이니까)그리고 원자가 띠에는 전자의 빈자리가 생기게 되는데 이를 양공이라 해.

 

 

 

 

 

원자가 띠의 전자가 빈자리를 차례대로 채우는 것이 마치 양공이 양전하와 같이 이동하는 것처럼 보여.

 

 

 

 

 

반도체는 전자기기에 들어가는 부품이니 전류는 흐를 거 같고, 뭔가 이름이 '반'도체라서 도체에 비해 전류가 약하게 흐르거나 절반만 흐를 거 같은 느낌이잖아? 근데 그 느낌 개나 줘버려.

사실은 순수한 반도체(자연 상에 있는 반도체 ex: 실리콘)의 전기 전도도는 거의 부도체에 가까워. 그렇기 때문에 순수한 반도체를 전자기기에 넣는 건 아니야. 이 순수한 반도체에 어떤 불순물을 합쳐줘서 인공적인 조작을 가하게 되면 대한민국 수출 효자 상품으로써의 반도체 가치가 살아나는 거지.

2. 불순물 반도체

 

규소 원자 내의 14개 전자는 왼쪽 그림과 같이 가장 낮은 에너지 준위부터 차례대로 차곡차곡 채워져. 가장 바깥쪽 궤도에 존재하는 4개의 전자는 비교적 원자핵으로부터 자유롭다 보니 화학 결합의 참여가 쉬운 상태야. 이런 전자를 '원자가 전자'라고해.

순수한 반도체인 저마늄(Ge), 규소(Si) 원자 모두 원자가 전자를 4개 가지고 있어.

 

 

규소의 공유결합

각각의 규소 원자들은 인접한 규소 원자의 원자가 전자들과 공유 결합을 하여 결정을 이루고, 이 결정이 바로 순수한 반도체야. 아까도 말했지만 순수한 반도체는 전자 제품에 이용하기에는 전기 전도성이 너무 떨어져. 어떻게 하면 반도체의 전기 전도성을 좋게 할 수 있을까?

 

전기 전도성을 올린다는 것은 전하의 유동성을 늘린다는 거야. 그렇다면 어떻게 유동성을 늘리냐. 바로 순수한 반도체에 다른 물질을 첨가하면 돼. 반도체의 전기 전도성을 좋게 하기 위해 불순물을 첨가하는 것을 '반도체를 도핑한다.'라고 표현하니까 낯을 익히도록 하자.

 

①n형 반도체(전자가 양공보다 많음)

 

n형 반도체의 에너지 준위와 자유전자, 양공의 개수

그림 (가)는 원자가 전자가 5개인 As(비소)를 규소 결정에 첨가한 건데,  비소의 원자가 전자 중 4개는 이웃한 규소 원자와 공유 결합을 하고, 남은 1개의 잉여 전자는 결합할 짝이 없으니까 자유롭게 돌아다닐 수 있겠지? 즉 그 전자는 전도 띠로 넘어갔다는 거야. 즉, 1개 잉여 전자가 자유 전자가 된 거야. 도핑할 때 여러 개의 비소 원자를 첨가하니 그만큼 자유 전자의 수는 많아지는 거고, 그만큼 전기 전도성이 좋아지겠네?

 

잉여 전자의 에너지 준위는 전도 띠 바로 아래에 생기므로 전자들이 쉽게 전도 띠로 이동할 수 있고 전체적으로 원자가 띠의 양공 개수보다 전도 띠의 전자 개수가 훨씬 많아. (양공은 규소의 전자가 남기고 간 흔적뿐이고, 전도 띠의 전자는 규소의 전자와 비소의 자유 전자를 포함함)

 

②P형 반도체(양공이 전자보다 더 많음)

 

p형 반도체의 에너지준위와 자유전자, 양공의 개수

반대로 그림 (나)는 원자가 전자가 3개인 B(붕소)를 도핑한 거야. 이때 붕소의 원자가 전자 3개는 이웃한 규소 원자의 원자가 전자 3개와 공유 결합을 하지만 나머지 규소 원자의 원자가 전자 1개는 공유 결합할 전자가 없기 때문에 자리 공백이 생겨. 이 빈자리를 주변의 전자가 이동하면서 채우고, 또 그 자리가 비고... 이동해 온 자리에 양공이 생기는 과정이 반복되면서 전기 전도도가 높아지는 결과가 나타나. 이때는 원자가 띠 바로 위의 에너지 준위로 전자가 이동하면서 원자가 띠에 양공이 많이 만들어지게 돼. 따라서 전체적으로 원자가 띠의 양공 개수가 전도 띠의 전자 개수보다 많아.(규소의 원자가 전자가 이동하면서 남긴 양공에 붕소의 전자가 이동하면서 남긴 양공이 추가됨)

3. P-N 접합

(좌) 꼬마전구, (우) 발광다이오드(LED)

꼬마전구와 LED 모두 빛을 내는 전기 부품이야. 꼬마전구 소켓의 왼쪽과 오른쪽을 구분할 것 없이 전선으로 꼬마전구를 건전지와 연결만 하면 빛이 발생하지만, LED는 긴 쪽을 전지의 (+) 극에, 짧은 쪽을 전지의 (-) 극에 연결해야만 빛이 나. 반대로 연결하면 빛이 나지 않아.

 

왜 LED는 연결하는 방향에 따라 빛이 나고 나지 않는 걸까? 

 

일단 LED에 빛이 난다는 것은 LED에 전류가 흐른다는 것이고, LED에 빛이 나지 않는다는 것은 LED에 전류가 흐르지 않는다는 거야. 즉, LED엔 전류가 한 방향으로만 흐른다는 거지. 사실 LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 만든 전기 부품인데 반도체 특성을 이해한다면 왜 LED에서는 전류가 한 방향으로만 흐르는지 설명할 수 있어.

 

 

향수를 뿌리면 향 분자들은 주위의 공기로 퍼져가. 이와 같은 확산 현상이 일어나는 이유는 보통 공기 중에 향수 분자가 거의 없기 때문이야. p형 반도체엔 비교적 양공이 많고, n형 반도체엔 비교적 전자가 많다고 했지? 두 개를 접합시키면 전자와 양공은 자신과 같은 존재들이 별로 없는 곳으로 확산되는데 어느 정도 시간이 지나 평형 상태에 도달하게 되면 공핍 영역이 만들어져. 공핍 영역은 전하들이 지나가는 걸 방해하는 장벽이라고 생각하면 되고, 이 장벽이 만들어지는 순간 전자와 양공의 확산은 멈추게 된다고 생각하면 돼.(확산하려는 힘과 전기력이 균형을 이루는 시점)

순방향 전압과 역방향 전압

pn 접합을 건전지에 연결해볼게.

 

①순방향 전압을 걸어줄 때

p형 반도체를 전지의 (+) 극 쪽에 n형 반도체를 전지의 (-) 극 쪽에 연결하면 p형 쪽의 양공은 양전하처럼 행동하니 건전지의 (+) 극에 의한 척력에 의해 오른쪽으로 더 밀려가고, n형의 전자는 건전지의 (-)극에 의한 척력에 의해 왼쪽으로 더 밀려가게 되는, 뭔가 중간 장벽(공핍 영역)의 두께가 얇아지는 효과가 나타나. 따라서 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 올라가게 되지. 즉 전류가 잘 흐를 수 있는 거야. 

 

②역방향 전압을 걸어줄 때

반대로 p형 반도체를 전지의 (-)극 쪽에 n형 반도체를 전지의 (+)극 쪽에 연결하면 p형 쪽의 양공은 양전하처럼 행동하니 건전지의 (-) 극에 의한 인력에 의해 왼쪽으로 이동하고, n형의 전자도 건전지의 (+) 극에 의한 인력에 의해 오른쪽으로 이동하게 되는, 뭔가 중간 장벽(공핍 영역)의 두께가 두꺼워지는 효과가 나타나. 따라서 전하들이 장벽을 넘어갈 수 있는 확률이 낮아지게 되지. 즉 전류가 잘 흐를 수 없어.

 

따라서 LED에 순방향으로 전압을 걸어주면 빛이 나고, 역방향으로 걸어주면 빛이 나지 않는 거야. 이처럼 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 작용을 정류 작용이라 하고, 이 특성은 반도체 자체가 갖는 성질에 기인한다는 걸 잊지 마!

 

#잠시 쉬어가기 '순수에 대한 집착'

gooseskin.tistory.com/106

[증류수를 마시면 위험한 이유] 순수에 대한 집착

반도체는 그 자체로는 산업 부품으로써의 가치가 없었다.

반도체는 불순물이 첨가되어서 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 확고한 정체성을 가질 수 있었고, 이 점에서 도체와 부도체가 갖지 못하는 반도체만이 갖는 차별화된 경쟁력을 가질 수 있었다.

순수에 대한 맹목적인 집착이 맞이한 비극의 분야별 사례를 포스트를 통해 확인해보았다. 

 

나 자신에게만 함몰되기보다는 타인을 공감하며 배려하는 등 다양성을 존중하는 태도가, 지적 유연성을 길러 내가 알고 있는 지식에만 함몰되지 않고 새로운 정보의 수용에 적극적인 태도가 나만의 확고한 정체성을 구축하는데 도움이 돼 남들이 갖지 못하는 차별화된 경쟁력으로 발돋움할 수 있지 않을까?

4. 기출문제 풀어보기

18년도 9월 모평 물리 1 2번/ 정답률 89%

답: 5번

 

14년도 7월 학평 물리 1 10번/ 정답률 78%

답: 1번

 

13년도 3월 학평 물리1 8번/ 정답률 84%

답: 5번

 

15년도 9월 모평 물리1 3번/ 정답률 88%

답: 3번

 

16년도 수능 물리1 12번/ 정답률 89%

답: 4번

 

14년도 6월 모평 물리1 12번/ 정답률 71%

답: 3번

 

18년도 4월 학평 물리1 15번/ 정답률 77%

답: 3번

 

19년도 9월 모평 물리1 12번/ 정답률 59%

답: 4번