고체 물질의 밴드 이론에서 도체와 부도체 반도체의 차이가 궁금해요

Question

고체 결정에서 원자들의 오비탈이 겹쳐 형성된 에너지띠(가전자띠와 전도띠) 사이의 간격인 띠틈(Band gap)의 크기가 어떻게 물질의 전기 전도성을 결정하는지 궁금합니다. 순수 반도체에 불순물을 섞는 도핑 원리도 알고 싶어요.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

도체는 밴드갭이 없어 전자가 자유롭게 이동하고 부도체는 밴드갭이 매우 넓어 전류가 흐르지 못하는 반면 반도체는 적당한 크기의 띠틈을 가져 외부 에너지에 따라 전도성이 조절됩니다 순수한 반도체에 원자가전자가 다른 원소를 미량 주입하는 도핑을 거치면 가전자띠와 전도띠 사이에 새로운 에너지 준위가 형성되어 전자의 이동이 수월해집니다 여분의 전자를 제공하는 5족 원소를 주입하면 n형 반도체가 되고 전자가 비어 양공을 만드는 3족 원소를 주입하면 p형 반도체가 되어 전기 전도에 기여하는 전하 운반체가 획기적으로 늘어납니다 결과적으로 이 띠틈의 고유 크기와 도핑을 통한 전하 운반체농도 제어가 고체 물질의 전기 전도성을 결정하는 핵심 원리입니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

원자들이 결정을 이루면 오비탈이 겹치며 에너지 준위가 촘촘한 띠로 퍼져요. 전자가 채워진 맨 위 띠가 가전자띠, 그 위 비어 있는 띠가 전도띠예요. 꽉 찬 띠 안에서는 전자가 옮겨 갈 빈자리가 없어 전류가 흐르지 않아요.

금속은 띠가 절반만 차 있거나 두 띠가 겹쳐 있어 작은 전압에도 전자가 빈자리로 옮겨 가며 전류가 흘러요. 부도체는 띠틈이 커서 다이아몬드가 5.5 eV 정도인데, 상온의 열에너지 0.025 eV로는 전자가 넘어가지 못해요. 반도체는 실리콘이 1.1 eV처럼 띠틈이 적당히 작아 일부 전자가 열로 전도띠에 올라가고, 빠져나간 자리에는 양전하처럼 움직이는 정공이 남아요. 그래서 반도체는 금속과 반대로 온도가 오를수록 전기가 더 잘 통해요.

도핑은 불순물로 운반자를 직접 만들어 주는 과정이에요. 원자가 전자가 5개인 인을 넣으면 결합하고 남은 전자 하나가 전도띠 바로 아래에 머물다 쉽게 올라가 n형이 돼요. 3개인 붕소를 넣으면 전자 하나가 모자란 자리가 정공이 되어 p형이 돼요. 실리콘 원자 백만 개에 하나 정도만 섞어도 전도도가 수천 배 넘게 올라가요 :)