[반도체물성] 반도체의 에너지 밴드

안녕하세요. 알쓸공잡입니다.

반도체의 에너지 개념은 어렵게 느껴지기도 합니다.

거시적인 관점이 아닌 미시적인 관점에서 봐야 하기 때문이죠.

 

오늘은 반도체 소자를 이해하는데 유용한 에너지 밴드 (energy band) 개념에 대해 알아보겠습니다. 

 

1. 에너지 밴드?

 

원자 내부의 전자는 불연속의 에너지 준위를 점유하고 있는데, 두 개의 원자가 서로 접근하게 되면 파울리 배타 원리로 인해 각각의 에너지 준위는 두개의 준위로 분리됩니다. 

 

이때 파울리 배타 원리란, 각각의 양자 상태는 한 개의 전자에 의해서만 점유된다는 것입니다.

 

여러 에너지 밴드에서 전자들은 먼저 낮은 에너지 밴드를 채우려고 할 것입니다. 

그러면 완전히 전자로 채워진 밴드와 완전히 비어있는 밴드 사이에 거의 채워진 밴드, 거의 빈 밴드가 위치하게 됩니다. 

 

거의 채워진 밴드를 가전자 대역( valence band )라고 하고, 거의 비어있는 밴드를 전도 대역 (conduction band)라고 하게 됩니다. 

이 두 대역 사이의 갭을 밴드갭( band gap)이라고 부릅니다. 

 

그리고, 이 두 대역만이 전류 흐름에 기여하는 유일한 밴드가 됩니다. 

 

이 에너지 밴드 다이어그램을 간단히 나타낸 그림을 보도록 하겠습니다. 

 

 

여기서 Ev는 가전자 대역의 최고 에너지를 나타내고, Ec는 전도 대역의 최저 에너지를 나타냅니다.

 

Eg는 Ec와 Ev의 차이로 밴드 갭 에너지(band gap energy) 또는 에너지 갭(energy gap)이라고 합니다.

 

즉, Eg = Ec - Ev입니다.

 

 

가전자 대역의 전자들은 공유결합과 연결된 전자들이며, 전도 대역의 전자들은 전도 전자 혹은 이동성 전자들입니다. 

 

Eg를 이용하는 한 가지를 더 알아보겠습니다. 

 

 

이 경우를 보면, 빛이 반도체 샘플에 흡수돼 전자 정공 쌍이 생기고, 이 수는 빛의 세기에 비례하여 증가합니다. 

 

이러한 원리를 이용한 검출기를 Photoconductor라고 합니다. 

 

그리고, 광자 에너지는 Eg보다 큰 경우에만 흡수됩니다. 

흡수된 광자 에너지는 전자 정공 쌍을 생성하는 데 사용됩니다. 

 

[반도체 물성] 전자와 정공 편에 나왔던 donor와 acceptor 개념을 여기에서 한번 더 언급해보겠습니다. 

https://morningspace.tistory.com/6

[반도체물성] 전자와 정공

전자를 제공하는 불순물을 donor라고 하였었고, 정공을 제공하는 불순물을 acceptor라고 하였습니다. 

이 둘도 에너지 준위가 존재하는데요, 아래 그림처럼 위치하게 됩니다.

 

 Ec 아래에 Ed가 위치하는 이유는 도너 원자에서 전자를 떼어 전도 전자로 만들기 위해서는 도너의 이온화 에너지가 필요하기 때문입니다. 

 

따라서 Ec - Ed는 도너의 이온화 에너지가 됩니다. 

 

비슷하게, Ea - Ev는 acceptor이온화 에너지로, accpetor원자가 가전자 대역으로부터 전자를 받아들여 그 자리에 정공을 생성시키는데 에너지입니다.

 

이제, 설명한 내용들을 토대로 도체, 절연체, 반도체를 에너지 밴드 다이어그램으로 보겠습니다. 

 

반도체는 거의 채워진 가전자 대역과 밴드갭만큼 떨어진 거의 빈 전도 대역으로 구성되어 있습니다. 

절연체는 매우 큰 Eg를 가지고 있습니다. 

도체는 일부분이 채워진 밴드를 가집니다.

이 채워진 밴드 부분은 전도 대역이며 전도 전자들을 가지고 있습니다. 

 

 

 

 

 

( 참고 )

https://news.skhynix.co.kr/1980

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=4080

  서적 : 현대 반도체 소자 공학