4. 고체 내의 전자 운동

(1) 금속 내의 전자와 전류

① 전위의 기울기가 크면 전자의 속도가 빨라진다.(전류가 커진다.)
② 평균 자유 행정(mean free path) : 전도 전자가 한 번 충돌한 다음, 다시 충돌할 때까지의 운동 거리의 평균값. 전자가 이동하는 자유도를 나타내는 것.(금속 도체-10^-4[m]정도, 진공관-10[m]이상)
③ 1초 동안에 도체의 단면을 통과하는 전자의 수 N=nAv개
(n : 도체 중의 전자밀도[개/m³], A : 도체의 단면적[m²], v : 전자의 평균 이동속도[m/s])
④ 전류 I=-enAv[A] (-e : 전자의 전하[C])
⑤ 전류는 전자의 속도 v에 비례, 평균 속도 v는 전위차, 즉 전압에 비례)

(2) 에너지대 이론에서 본 도체, 반도체, 절연체

- 허용대(allowable band) : 전자가 존재할 수 있는 에너지대.
- 금지대(forbidden band) : 전자가 존재할 수 없는 에너지대. 에너지 갭(energy gap)
- 전도대(conduction band) : 전자가 자유로이 이용되는 허용대.
- 충만대(filled band) : 들어갈 수 있는 전자의 수가 전부 들어가서 전자가 이동할 여지가 없는 허용대.
- 공핍대(exhaustion band, empty band) : 보통의 상태에서는 전자가 존재하지 않는 허용대.

[1] 금속 도체

: 충만대에 공핍대가 접해 있어 공핍대에서는 충만대로부터 전도 전자가 옮겨져서 전도대를 형성하고 있기 때문에 전기 전도가 매우 높다.

[2] 반도체

: 보통 때에는 공핍대에는 전자가 없으며, 또 상위의 충만대와 공핍대와의 사이에 금지대의 폭이 좁다. → 충만대의 일부 전자는 적은 에너지(1[eV]정도)에서도 비교적 용이하게 금지대를 너어서 공핍대에 올라갈 수 있다.

[3] 절연체

: 전자의 움직임은 반도체와 같다고 보나, 충만대와 공핍대 사이의 에너지 갭이 크므로 상당히 큰 에너지(6∼7[eV])를 가하지 않으면 충만대의 전자는 공핍대에 올라갈 수 없다.

(3) 반도체 내의 전자 성질

① 대표적인 반도체 : 규소(Si), 게르마늄(Ge)
② 진성 반도체(instrinsic semiconductor) : 규소 이외의 다른 물질의 혼입이 없고 안정된 상태에 있는 반도체.

③ 정공(positive hole) 또는 홀(hole) : 처음 중성인 상태로부터 전자를 잃어서 만들어진 구멍. 양의 전하
④ 반송자(carrier) : 전하의 운반체. 즉, 정공과 전도 전자
⑤ 전도채에 옮겨진 전자와 충만대에 있는 정공의 수가 같으므로 진성 반도체의 페르미 준위는 대략 금지대의 중앙에 위치

(4) 반도체의 종류의 성질

- 반도체 종류 : 진성 반도체, 불순물 반도체
- 불순물 반도체(extrinsic semiconductor) : 진성 반도체의 단 결정에 미량의 불순물을 혼합한 반도체. 진성 반도체 보다 도전성이 높다. (n형, p형 반도체)

[1] n형 반도체

① 진성 반도체에 원자가(가전자)가 5가 원소인 도너 불순물을 넣은 반도체
② 도너(donor) : 과잉 전자를 만드는 불순물.
③ 도너 불순물 : N(질소), P(인), As(비소), Sb(안티몬), Bi(비스므스)등 5가 원소.
④ n형 반도체의 다수 캐리어는 전자이고 소수 캐리어는 정공이다.
⑤ 도너 준위는 전도대보다 조금 낮은 곳에 위치한다.

[2] p형 반도체

① 진성 반도체에 원자가(가전자)가 3가 원소인 억셉터 불순물을 넣은 반도체.
② 억셉터(acceptor) : 정공을 만들기 위한 불순물.
③ 억셉터 불순물 : B(붕소), Al(알루미늄), Ga(갈륨), In(인듐), Tl(탈륨)등 3가 원소.
④ p형 반도체의 다수 캐리어는 정공이고, 소수캐리어는 전자이다.
⑤ 억셉터 준위는 충만대보다 조금 높은 정도에 위치한다.

(5) 반도체의 전기 전도

- 드리프트 전류(drift current) : 전기장에 의한 전류
- 확산 전류(diffusion current) : 반송자의 밀도차에 따른 전류

[1] 전기장에 의한 전도

: 진성 반도체의 양단에 직류 전압[V]를 가하면 정공은 음의 단자 쪽으로 이동, 전자는 양의 단자 쪽으로 각각 이동해 전기 전도가 이루어진다.

[2] 밀도 기울기에 의한 확산

: 반송자의 밀도가 장소에 따라 달라질 때에는 밀도가 균일하게 되도록 반송자가 확산 이동된다.

[3] 저항률의 온도 특성

① 금속은 온도가 상승함에 따라 저항 값이 증가한다.(저항의 온도 계수는 양(+)이 된다.)
② 반도체는 온도가 상승함에 따라 저항 값이 감소한다.(저항의 온도 계수는 음(-)이 된다.)

(6) 반도체의 광전 효과

[1] 광도전 효과(photoconductivity effect)

: 반도체 빛을 쬐면 빛 에너지를 흡수하여 반도체 내 캐리어(전자나 정공을 말함)의 수가 증가하여 도전율이 증가하는 현상. 광도전 소자 - 황화카드뮴(CdS, 입사된 빛의 양의 변화를 전류의 변화로 바꾸는 소자)

[2] 광기전 효과

: 빛 에너지에 의해 기전력을 발생하는 현상. 광 다이오드, 광 트랜지스터, 태양전지

[3] 루미네선스

① 루미네선스 : 고체 내의 여기(excitation)에 의한 발광 현상과 같이, 열을 병행하지 않는 발광현상.
② 전자발광(electroluminescence, EL) : 반도체 성질을 가지고 있는 물체에 전기장(전장)을 가하면 빛이 발생하는 현상. 표시기나 표지 장치 등에 응용.

(7) 열전 효과

[1] 제베크 효과(Seebeck effect)

: 서로 다른 두 종류의 금속을 접촉하여 두 접점의 온도를 다르게 하면 온도차에 의해서 열 기전력이 발생하고 미소한 전류가 흐르는 현상.

[2] 펠티에 효과(Peltier effect)

: 두 종류의 금속을 접촉하여 전류를 흘리면 그 접점의 접합부에서 열의 발생 및 흡수 현상이 생기는 현상. 전자 냉동기에 응용.

(8) 자기장 효과

① 홀 효과(Hall effect)
: 반도체에 전류(I)를 흘려 이것과 직각 방향으로 자속 밀도 B인 자장을 가하면 플레밍의 왼손 법치에 의해 그 양면의 직각 방향으로 기전력이 생기는 현상.
② 홀 전압 : V_H=RIB/d [V]
(R : 홀상수[m³/c], d : 반도체의 나비[m], B : 자속 밀도[Wb/m²], I : 전류[A])
③ 홀 효과를 이용하면 반도체가 p형인지, n형인지를 조사할 수 있다.
④ 홀 효과는 전하의 통로가 한 쪽으로 몰리므로 자기장의 세기에 따라 전기저항도 증가한다. → 자기 저항 효과

(9) 자성체

① 물질이 가지는 자성은 원자 구조 중의 전자나 핵의 회전 운동이 기본.
② 보통 물질에서는 전자의 자전의 방향의 서로 정반대의 것이 쌍으로 되어있어 자기장은 서로 상쇄되고 있어 자성을 나타내지 않음.
③ 철이나 니켈 등의 강자성체에서는 전자 배치의 조화가 이루어지지 않고 있으므로 자성을 나타냄.

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