학문
반도체의 전도성은 왜 온도에 따라 달라질까요?
반도체 물질은 주변 온도가 변할 때 전류가 흐르는 정도 역시 변화하게 됩니다. 이러한 현상은 내부 전자 이동이나 에너지 구조와 어떤 연관성이 있으며, 일반 도체와는 어떤 차이를 보이는지 의견 부탁드립니다.
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김상엽 전문가입니다.
도체는 온도가 오르면 원자 진동으로 전자의 흐름이 방해받아 저항이 커집니다. 반면 반도체는 온도가 오르면 에너지를 얻어 전자가 자유전자로 대거 이동하여 전류가 더 잘 흐르는 상반된 특성을 가집니다.
안녕하세요. 이승호 전문가입니다.
반도체의 전도성이 온도에 따라 변하는 이유는 물질 내부의 에너지 띠 구조와 전자의 움직임 때문입니다.
기본적으로 반도체는 전자가 꽉 차서 움직일 수 없는 가전자대와 전자가 비어 있어 자유롭게 이동할 수 있는 전도대라는 두 개의 에너지 영역을 가지고 있습니다. 이 두 영역 사이에는 전자가 넘어가지 못하는 에너지 간격인 띠간격이 존재합니다. 절대영도에 가까운 낮은 온도에서는 전자가 에너지를 얻지 못해 가전자대에만 묶여 있으므로 전류가 흐르지 않는 부도체처럼 행동합니다.
하지만 주변 온도가 올라가면 반도체 격자를 구성하는 원자들이 열에너지를 얻어 진동하게 되고, 이 열에너지가 가전자대에 있던 전자들에게 전달됩니다. 충분한 에너지를 얻은 전자들은 띠간격을 뛰어넘어 전도대로 이동하게 되는데, 이를 열적 여기 현상이라고 합니다. 전도대로 올라간 전자들은 자유롭게 움직일 수 있는 자유 전자가 되고, 전자가 빠져나간 가전자대에는 양전하를 띤 구멍인 정공이 생겨납니다. 온도가 높아질수록 이렇게 전류를 흐르게 만드는 운반자인 전자와 정공의 수가 기하급수적으로 늘어나기 때문에 전류가 더 잘 흐르게 되며 결과적으로 전도성이 높아집니다.
이는 금속과 같은 일반 도체와 정반대의 특성입니다. 도체는 처음부터 전도대에 자유 전자가 풍부하게 존재하기 때문에 온도가 올라간다고 해서 전류 운반자의 수가 크게 늘어나지 않습니다. 오히려 온도가 높아지면 금속 내부의 원자들이 격렬하게 진동하면서 이동하는 전자들과 자주 충돌하게 됩니다. 이 충돌이 전자의 흐름을 방해하는 저항으로 작용하기 때문에, 도체는 온도가 올라갈수록 전도성이 떨어지고 저항이 커집니다.
결과적으로 도체는 온도가 오를 때 원자 진동에 의한 방해 효과가 지배적이어서 전도성이 낮아지는 반면, 반도체는 방해 효과보다 열에너지에 의해 새로 생겨나는 자유 전자와 정공의 증가 효과가 훨씬 크기 때문에 온도가 오를수록 전도성이 급격하게 좋아지는 차이점을 보입니다.
안녕하세요. 신광현 전문가입니다.
반도체의 전도성은 온도가 오르면 증가하는데, 열에너지가 가전자대의 전자를 밴드갭을 넘어 전도대로 띄워 자유 전자와 정공을 기하급수적으로 늘리기 때문입니다 .
캐리어 농도: 온도 ↑ → 자유 전자/정공 지수적 증가 → 전도도 ↑↑
이동도: 온도 ↑ → 격자 진동 ↑ → 전자 산란 ↑ → 이동도 ↓ (하지만 영향은 작음)
종합: 캐리어 증가 효과가 더 커서 전체 전도도 증가, 저항 감소
도체와 차이:
금속은 이미 자유 전자가 많아, 온도 ↑ 시 격자 진동으로 인해 저항 증가 (전도도 ↓)
반도체는 새로운 전자 생성이 가능해, 온도 ↑ 시 전도도 증가 (저항 ↓)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
반도체는 온도가 상승하면 가전자대의 전자가 에너지를 얻어 전도대로 이동하는 열적 생성이 활발해지며 자유 전자와 정공의 농도가 급격히 증가하여 전기 전도성이 향상됩니다 이는 온도가 오를수록 원자 진동에 의한 산란으로인해 저항이 커지는 일반 도체와 정반대의 특성으로 반도체 특유의 밴드갭 구조가 에너지 준위 간의 이동을 결정짓는 핵심적인 역할을 합니다 결과적으로 도체는 온도 상승 시 전류 흐름에 방해받는 반면 반도체 전하 운반자의 수 자체가 폭발적으로 늘어나며 전류가 잘 흐르게 되는 역동적인 에너지 메커니즘을 보여줍니다
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
반도체는 온도가 오르면 에너지를 얻은 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하면서 자유 전자와 정공이 늘어나서 전도성이 좋아집니다. 반면에 도체는 온도가 높아질수록 원자 진동이 심해집니다. 그러면 전자 흐름을 방해하죠. 또 저항이 커지고 전류가 잘 흐르지 않게 됩니다. 결론은 반도체는 온도가 상승하면 캐리어 수가 급증해서 저항이 줄어듭니다. 그리고 도체는 격차 진동으로 저항이 늘어나는 상반된 특성을 가지게 됩니다.
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
반도체의 온도가 올라갈 경우 내부 전자가 더 쉽게 움직일 수 있는 상태가 되어 전류가 잘 흐를 수 있는 상태가 됩니다. 쉽게 말씀드리면 열에너지가 전자를 깨워서 전기가 흐를 수 있는 자리로 보내주는 역할을 하는 것입니다. 이것을 여기, 영어로는 excitation 이라고 합니다.
실리콘 같은 반도체는 온도가 높아질수록 전자와 정공이 늘어나서 전도성이 커지는 경향이 있고, 반대로 금속의 경우는 이미 움질 일 전자들이 많은데, 온도가 올라가면 원자 진동이 커져서 전자의 이동이 오히려 방해 받습니다.
그래서 금속은 보통 온도가 높을수록 저항이 커지는 경향이 있고, 반도체는 전류가 더 잘 흐르는 차이점을 보이는 것입니다.