금속, 반도체, 절연체의 전기적 성질을 띠이론으로 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요. 전기전도성에 따라서 금속 반도체 절연체로 나눌 수 있는데요, 금속, 반도체, 절연체의 전기적 성질을 띠이론으로 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 금속, 반도체, 절연체의 전기적 성질은 띠이론(band theory)으로 설명이 가능합니다. 우선 원자들이 모여 결정을 이루면, 각각의 원자 껍질에 존재하던 전자 궤도들이 겹치면서 에너지 준위가 아주 촘촘한 띠를 형성하게 되는데요, 이때 전자들이 실제로 채워져 있는 영역을 가전자대, 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 영역을 전도대라고 부르며, 그리고 이 두 띠 사이의 에너지 차이를 밴드갭이라고 합니다. 띠이론에서 금속, 반도체, 절연체의 전도성 차이는 밴드 구조로 설명할 수 있는데요, 우선 금속은 가전자대와 전도대가 겹쳐 있거나, 전도대가 부분적으로만 채워져 있기 때문에 따라서 전자가 전도대에서 자유롭게 움직일 수 있어, 외부 전기장이 가해지면 전류가 쉽게 흐릅니다. 즉, 밴드갭이 0 eV인 상태라고 할 수 있습니다. 다음으로 반도체는 가전자대와 전도대 사이에 좁은 밴드갭(약 1 eV 정도)이 존재하는데요, 상온에서는 열에 의해 일부 전자가 밴드갭을 넘어 전도대로 들뜰 수 있기 때문에 전류가 흐를 수 있습니다. 하지만 저온에서는 전자가 거의 들뜰 수 없어 전기 전도성이 급격히 떨어지며 또한 불순물 도핑을 통해 전기전도성을 크게 조절할 수 있는 특성이 있습니다. 마지막으로 절연체는 밴드갭이 매우 커서(보통 5 eV 이상), 상온의 열에너지로는 전자가 전도대로 뛰어오를 수 없는데요 따라서 전자가 전도대에 거의 존재하지 않아 전류가 흐르지 않습니다. 감사합니다.