Top 9 실리콘 밴드 갭 Trust The Answer

반도체 물질 특성

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광전효과: 실리콘(Si)의 광흡수원리

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광전효과 실리콘(Si)의 광흡수원리 본문

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실리콘 밴드 갭

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반도체 강좌. (1) 실리콘 결정구조와 에너지 밴드.

–

방학을 맞아… 전공 정리겸 반도체에 대해 연재를 해볼까 합니다.

반도체 칩에 대해 다루면서, 기초 이론에 대해 한마디도 안 하고 있는건 뭔가 아닌거 같아서 늘 하려고 생각하고 있었는데, 졸업도 코 앞이니 마지막 여유라 생각하고 시작하려고 합니다.

반도체와 관련된 모든 내용에 정통한게 아닌데다가, 알고 있는 것도 대다수의 사람들에게 이해시킬만한 내공이 없는 관계로 중요치 않은건 설렁설렁 넘어갈 수도 있습니다. -_-;;

그리고 수식은 최대한 생략할겁니다.

쓰기도 귀찮을뿐더러 원리가 중요하지 수식은 나중입니다. 이거보고 계산할 일도 없을테니까요.

있을지 모르겠지만, 틀렸거나, 내용이 부족하거나, 궁금하거나, 이것도 다뤄줬으면 하는 부분이 있으면 말씀해주세요.

다 컨텐츠가 되고, 정보가 됩니다. 물론 제가 알고 있는 범위에서…;;

첫 시작은 반도체의 기반이 되는 물질, 실리콘부터 입니다.

–

(1) 실리콘의 결정구조. (Crystal structure of Silicon)

현대의 반도체를 이해하기 위해서는 기반이 되는 실리콘과 고체의 결정구조에 대한 이해가 우선되어야 합니다.

여기서 말하는 실리콘(silicon, Si)은 원자번호 14 의 원자를 말하는겁니다. 규소라고도 하지요.

물론 반도체쪽에서는 그냥 실리콘이라고 부르는게 일반적입니다.

성형에 쓰는 실리콘은 규소수지 등의 규소화합물을 말하는 것으로 다른 물질입니다.

스펠링도 silicone 으로 다르지요.

(실리콘 단원자의 전자 구성.)

실리콘은 14족 원소로 최외각 전자가 4개입니다.

최외각 전자의 개수때문에 실리콘을 4족 원소라고 부르는 경우도 있습니다.

(엄밀히 따지면 4가 라고 부르는게 맞는듯.)

그냥 적당히 넘어가면 됩니다. 중요한건 최외각 전자가 4개라는 사실이니까요.

최외각 전자가 원자핵과의 결합력이 가장 약하고, 그 때문에 원자핵의 영향에서 이탈하기 가장 쉽습니다.

원자핵과의 결합을 깨고 이탈한 전자는 자유전자가 됩니다.

이것이 최외각 전자의 구성이 원자결합을 형태를 결정하는 요소인 이유이며, 그렇기 때문에 최외각 전자의 수가 중요한겁니다.

원소는 안정된 상태로 변화하려는 특성이 있고,

최외각 전자 개수를 기준으로 8개(혹은 없거나…)가 안정된 상태입니다.

이는 최외각 전자가 없거나 8개인 18족 원소(헬륨, 네온, 아르곤 등)가 다른 원소와 결합하지 않는 등,

매우 안정된 상태를 유지하고 있다는 것으로도 알 수 있습니다.

(실리콘의 공유결합.)

결국 실리콘 단원자는 불안정한 상태란 얘기이고, 다른 실리콘 원자와의 공유결합을 통해 안정된 상태를 유지합니다.

주변 4개의 원자와 각각 하나씩 최외각 전자를 공유함으로서 최외각 전자를 8개로 유지합니다.

(2) 에너지 밴드와 밴드 갭. (Energy band & Band gap)

원자핵에 종속된 전자들은 연속적인 에너지를 가질수 없고, 양자화된 에너지를 갖고 있습니다.

범위 안에 아무 값의 에너지를 가질수가 없고, 특정 값의 에너지만을 가질수 있다는겁니다.

원자가 하나일 때는 양자화된 에너지 준위가 선의 형태로 나타납니다.

원자가 가질 수 있는 에너지가 몇개의 선으로 나타나는거지요.

하지만, 공유결합을 통한 고체결정구조가 되면 얘기가 달라집니다.

원자간, 전자간, 원자와 전자간의 간섭이 발생하면서, 에너지 준위는 세분화되고 그 간격이 촘촘해집니다.

그와 동시에 에너지 준위가 겹치는 부분에서는 에너지 준위가 반발하면서 멀어집니다.

(단원자에서의 에너지 준위(좌)와 다수 원자 결합에서의 에너지 준위(우))

그 결과 생기는 것이 에너지 밴드와 밴드갭 입니다.

에너지 준위가 촘촘해져서 특정 구간내에 모든 에너지 준위에 전자가 존재할 수 있게된걸 에너지 밴드라고 하고, 그 에너지 밴드들 사이에 전자가 존재할 수 없는 에너지 구간을 Forbidden Band(금지대) 라고 합니다.

전자는 에너지 밴드 내의 모든 에너지 값 중의 하나를 가질 수 있지만,

Forbidden Band 내의 에너지 값은 갖지 못 하는겁니다.

그게 뭐 많다고 선이 밴드(면)이 될 정도라고 생각할지 모르겠지만, 실리콘 결정 1cm^3 에 존재하는 실리콘 원자가 10^22 개 정도입니다.

천문학적인 숫자입니다.

위의 얘기들이 왜 그렇냐는 부분에 대해서는 설명하기가 매우 어렵습니다.

양자역학적인 원자 구조에 대한 연구의 결과가 그렇다고만 알고 넘어가면 됩니다.

(양자역학 그러면 고등학교나 공대의 기초 물리 수준 생각하는 분들이 간혹 있는데,

본격적으로 파고들면 한 학기갖고 다 못 가르치는 수준입니다. 수학도 왠만큼 해야되고…

수업듣고나니 멘붕오면서 동시에 과학사에 이름을 남긴 과학자들이 인간으로 안 보임.)

(Conduction band 와 Valence band)

이렇게 다수 형성된 에너지 밴드에서 낮은 에너지 준위부터 전자가 채워집니다.

그러다보면 어느 순간 비는 에너지 밴드가 생기겠지요.

이 때, 전자가 채워진 마지막 밴드를 Valence band(가전자대)라고 하고,

바로 위 밴드를 Conduction Band(전도대)라고 합니다.

그 사이의 Forbidden band를 Band gap 이라고 합니다.

이름에서 알 수 있듯이,

Conduction band 에 있는 전자는 자유전자가 되어서 전기전도 등에 참여할 수 있습니다.

다만, 이것이 가능하려면 Valence band에서 에너지를 얻어서 Conduction band로 올라갈 수 있어야합니다.

이 때 필요한 최소 에너지가 Band gap의 크기가 되는거고요.

Valence band의 전자들이 앞서 말한 최외각 전자들입니다.

이런 구조는 어떤 고체 물질에서나 다 존재하는 것으로 Band gap의 상태에 따라서 도체, 반도체, 부도체로 물질의 특성이 결정됩니다.

Band gap이 크다면, Valence band의 전자가 Conduction band로 쉽게 넘어갈 수 없기때문에 전기전도도는 낮아집니다. 부도체이지요.

Band gap이 작다면, Valence band의 전자가 Conduction band로 쉽게 넘어갈 수 있기때문에 전기전도도는 높아집니다. 도체입니다.

대부분의 금속들은 Band gap이 없거나, Valence band와 Conduction band가 중첩되어 있습니다.

그만큼 자유전자가 많고, 그렇기때문에 금속의 전기전도도가 높은 것이지요.

반도체는 Band gap이 적당한 크기입니다.

일반적인 상황에서는 Valence band의 전자가 Conduction band로 쉽게 넘어갈 수 없지만, 인위적으로 약간만 조정을 하면 도체적인 특성을 갖도록 할 수 있습니다.

(Si의 Band gap은 300K(=27도씨)에서 1.12eV 입니다.)

인위적으로 전자를 컨트롤할수 있다는 부분은 반도체가 등장하게된 결정적인 원인 중 하나입니다.

(3) 왜 실리콘인가?

허구많은 물질을 놔두고 왜 실리콘이 반도체의 주역이 되었는가에 대해서는 정확히 모르겠습니다만,

몇 가지 추측은 가능합니다.

1. 지구에 많이 존재.

지구과학 시간에 지구 구성 8대 원소를 외웠고 기억하고 있다면 알겠지만, 규소는 지구에서 두번째로 많이 존재하는 원소입니다. (첫번째는 산소.)

막말로 바닷가의 모래가 다 규소입니다. (정확히는 규소산화물, SiO2)

(물론 아무 모래를 퍼서 실리콘 결정을 만드는건 아니지만…)

구하기 쉽고, 가격이 싸다는 장점이 있겠지요.

이게 결정적인 이유일겁니다.

2. 특성.

실리콘의 물리, 화학적 특성이 반도체 공정상 유리하기때문입니다.

사실 초기 반도체를 이끈건 저마늄(게르마늄이라고 했었지요.)이었습니다.

실리콘에 비해 더 좋은 전류 특성을 갖고 있었지만, 녹는 점, 허용전압, 동작 온도가 낮습니다.

낮은 녹는 점은 반도체 공정에서 제한을 가져오는 요소이고, 낮은 허용전압과 동작 온도는 사용 조건에 한계가 됩니다.

3. 산업적 측면에서의 선점 효과.

저마늄을 제치고 실리콘이 대세가 되었지만, 위기가 없었던건 아닙니다.

반도체 생산에 있어서 공정미세화는 필수인데, 한계가 온겁니다.

너무 작아져서 빛의 파장으로는 만든 반도체를 관찰할 수가 없었던겁니다.

이 때, 실리콘보다 물성이 좋은 GaAs 등 다른 소재에 대한 연구가 활발히 진행됩니다.

하지만 전자빔을 사용하는 전자현미경이 등장합니다. (최초가 TEM)

문제가 해결된거지요.

실리콘 기반으로 산업적 기반이 자리잡은 상황에서 문제점이 해결되었으니 굳이 다른 소재로 넘어갈 필요가 없겠지요.

산업적 기반이 선점된 상황에서는 기술적 우위가 높은 시장 점유율로 이어지지 않다는건 다양한 사례가 보여주고 있지요.

4. 실리콘은 자연 산화막을 쉽게 발생하는데 이 실리콘 옥사이드(SiO2)는 절연막으로 성능이 좋습니다.

다른 물질에서는 얻기 힘든 특성.

5. 적절한 밴드갭 (Band Gap)

모스펫에서 채널 컨트롤의 기본 컨셉은 게이트 전압을 통해 반전층(inversion layer) 채널을 형성해서 스위치를 on 한다는겁니다.

밴드갭이 크면 반전층을 형성하는데 너무 높은 게이트 전압이 필요하게되는데 이러면 중간 절연층에 부하가 심해집니다.

절연 파괴의 위험이 있고 수명 측면에서도 문제가 됩니다.

반대로 밴드 갭이 너무 좁으면 도체에 가까운 특성으로 가기때문에 on/off 컨트롤이 힘듭니다.

실리콘은 적절한 밴드갭을 갖고 있는겁니다.

[반도체 특강] 반도체 전자와 에너지

반도체의 에너지 개념은 대체로 어렵게 느끼는 분야입니다. 이는 거시적으로 익숙한 환경에서 새로운 환경인 미시적 개념으로 고찰을 해야 하기 때문이죠. 그렇다면 우리는 반도체 에너지를 반드시 알아야 할까요? 그 개념을 모른다 해도 반도체 라인에서 업무를 하는 데에는 대부분 지장이 없습니다. 그러나 반도체 소자(디바이스)나 제품 영역에서는 에너지 개념의 기반 위에 업무가 전개되는 경우가 많습니다. 오늘은 수식을 다루거나 계산을 풀이하지 않고 개념 위주로 소개하면서 원자 내 전자 운동, 양자화, 에너지 개념, 페르미통계함수 해석을 알아보고 이러한 것들이 어떠한 의미를 갖는지에 대해 두 편에 걸쳐 다루고자 합니다.

전자와 에너지

▲ 전자와 에너지의 관계

원자는 원자핵과 원자핵 주위를 도는 전자로 구성되는데, 반도체에서는 오직 전자만을 대상으로 합니다. 따라서 여기서 다룰 모형들은 초창기 원자 모형인 보어의 개념을 근간으로 했으며, 그 근간 위에 최근의 현대원자모형을 설명하는 확률과 파동성을 가미했습니다. 에너지는 전자가 받는 에너지이고, 전자에너지를 바탕으로 전자가 원자의 구심력(원자핵과 전자 사이의 전기적 인력)을 떨치고 뛰쳐나갔을 때, 전류에 기여하는 전자들이 주위의 원자들과 어떤 관계를 주고받는가를 다룹니다. 원자나 전자는 실체(형이하학적)가 있는 반면, 형이상학적인 전자에너지는 전자가 일을 할 수 있는 능력을 물리량으로 환산한 개념입니다. 전자에너지는 순수실리콘일 때 전류에 기여하는 전자들이 얼마나 되는지와, 불순물(3족,5족) 투입 후 전자들이 원자에 그대로 머물러 있는지 혹은 전자들이 원자를 이탈하여 얼마나 이동하는 전자(전류 등)에 기여하는지를 판단할 수 있게 합니다.

반도체와 최외각전자

▲ 반도체와 최외각전자

원자핵을 중심으로 운동하는 전자 중, 반도체에서 이용하는 전자는 원자의 가장 바깥에서 운행하고 있는 최외각전자(최외각전자 중에서도 대부분 잉여전자)입니다. 최외각전자는 소스와 드레인 단자 사이의 채널을 만들거나, 플로팅게이트로 진입하는 전자(데이터 저장)들, 혹은 소스에서 드레인으로 이동하는 전자(Tr을 ON)들을 공급하는 원천이 됩니다. 이때 원자들은 정해진 규칙(양자화 원칙)에 따라 전자들을 차례로 공급하고, 전자들 역시 에너지 밴드(Energy Band)와 에너지 갭(Energy Gap)이라는 원칙이 있기 때문에 이들의 순서를 지켜가며 이동하지요. 그중 반도체의 물리 현상에 핵심적인 영향을 끼친 ①에너지 밴드 및 ②에너지 밴드와 밴드 사이를 형성하는 에너지 갭을 살펴보겠으며, 더 나아가서 ③페르미 분포함수(전자가 어디에 존재하는지에 대한 확률)와 최외각전자(혹은 자유전자)와의 관계에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 전자는 거시물리학으로 판단하기에는 너무 작고 입자성보다는 파동성이 크며 실측이 불가능(불확정성원리)합니다. 때문에 간접적으로 에너지를 통해 통계적으로 원자모형을 만들어 전자가 원자 내 존재하는 확률로 거동을 살필 수밖에 없고, 전자의 존재 여부를 분포확률로 계산해내지요.

에너지의 양자화

▲ 양자화된 궤도와 양자화된 에너지 레벨 @단원자

원자 내 전자가 갖는 에너지란 원자핵으로부터 이격되어 있는 전자가 갖는 전위에너지로써, 전자에너지의 양자화란 에너지가 비연속적으로 구분되어 떨어져 있는 상태을 의미하며, 더 이상 줄일 수 없는 최소한의 작은 에너지 단위가 집합을 이루어 존재하는 것입니다. 전자에너지는 원자핵으로부터 멀어질수록 높은 에너지 단계에 있게 되며, 전자들이 원자 속으로 채워질 때는 낮은 에너지 단계에서 높은 단계로 전자들이 순차적으로 들어차게 됩니다.

원자핵을 초점으로 타원운동을 하는 전자는 원자핵으로부터 일정 거리에 따라 몇 개씩 뭉쳐서 돌고 있는데, 이 궤도를 주양자 궤도로 볼 수 있습니다. 그런데 궤도 내에서 몇 개씩 뭉친 전자의 형태를 자세히 보면 더욱 짧은 간격으로 나뉘어 돌고 있는 것을 볼 수 있는데요. 이는 부양자 궤도로 구분합니다. 부양자 궤도는 또다시 궤도각운동량으로 나누어지고(자기양자수), 최종적으로는 전자들이 자전하는 방향이 어떻게 되느냐로도 나뉘게 됩니다(스핀양자수). 이렇게 위치와 운동 형태마다 각각 에너지량을 구분할 수 있었고, 이를 에너지의 양자화라고 했습니다. 즉 거시적 세계에서는 연속적인 성격을 띠는 에너지를 미시세계에서는 작은 단위로 나누어 각 에너지 위치에 속한 전자들에게 서로 다른 퍼텐셜에너지 값을 부여할 수 있게 되었죠.

다원자에서의 에너지 양자화

▲ 에너지 밴드 형성 @ 다원자 상태

자연현상에서는 원자가 단원자로 존재하는 경우는 거의 없습니다. 특히 반도체에서는 대부분 많은 수의 원자들(10^22개/cm^3)이 격자 상태로 상호결합하여 고체를 이루고 있죠. 다원자에서는 단원자의 에너지 양자화 개념이 확장되는데요. 원자들이 격자화 되어 있는 다원자에서도 파울리의 배타원리가 적용되어 전자들은 (-)상태로 서로 부딪치지 않고 서로 다른 에너지, 서로 다른 위치에 존재하며 적정한 궤도상에서 운동하고 있습니다. 그러므로 이를 전부 엮어 에너지로 나타내면 주양자 궤도 레벨의 에너지 묶음(에너지 밴드)이 됩니다. 또한 동일 주양자 궤도 상의 원자들이 무수히 많으므로, 원자들이 모여 형성된 에너지 사이의 간격은 거의 Zero에 가까워서 에너지값들이 떨어져 있지만 동시에 거의 붙어있다고 볼 수 있습니다.

에너지 밴드

▲ 에너지 밴드 : 가전자대역과 전도대역

반도체에서는 양자화되어 있는 에너지 밴드(띠) 중 최상위 에너지를 가진 밴드를 전도대(도전띠, Conduction band)라고 하고, 전도대 바로 아래의 에너지 밴드를 가전자대(혹은 원자가띠, Valence band)라고 합니다. 전도대는 자유전자가 원자에 얽매이지 않고 흐를 수 있는 상태 즉 최외각전자가 원자에서 탈출한 상태이고, 가전자대는 전자가 원자를 탈출하지 못하고 원자의 최외각궤도 상에 있는 상태를 의미합니다. 반도체에서는 전자가 최외각 껍질에 있는 상태만을 다루므로, 에너지 밴드로는 전도대와 가전자대(실리콘 주양자수인 경우, M궤도)만을 구분하여 검토합니다. 실질적으로는 전도대란 원자 밖의 세상이므로 원자 내의 에너지 밴드에 속한다고 볼 수 없습니다(도체에서는 가전자대와 전도대가 겹쳐있어서 가전자대에 있는 전자도 전도대에 있는 전자처럼 흐르게 됩니다). 에너지 밴드 영역의 크기는 최소 에너지량이 있어서 최소 에너지량 대비 몇 배가 되는지의 여부로 확인 할 수 있습니다.

에너지 밴드갭

▲ 에너지 밴드(Band)와 에너지 갭(Gap)

에너지 밴드갭은 에너지 밴드와 밴드를 구분하고 분리하는 역할을 하는데, 다른 말로는 금지대역 혹은 금지대역폭이라고도 합니다. 에너지가 양자화된 개념을 기초로 볼 때, 밴드갭은 에너지와 에너지 사이의 에너지가 없는 상태를 의미합니다. 에너지 밴드갭은 실질적으로 전자들이 존재하지 않는 영역입니다(전자들을 존재하게 하는 에너지가 없으니 전자들이 있을 수 없겠지요). 밴드갭도 갭의 크기에 따라 에너지량이 달라지는데요. 그 크기는 밴드갭의 상부 에너지 대역의 가장 아랫부분 에너지 레벨에서 밴드갭의 하부 에너지 대역의 가장 윗부분 에너지 레벨을 빼면 됩니다. 즉 밴드갭도 최소에너지량 대비 몇 배가 되는지로 확인 가능하답니다. 이렇게 계산해보니 도체는 최외각밴드갭이 없으며, 절연체는 밴드갭이 매우 높은 상태라고 볼 수 있습니다. 반도체는 도체와 절연체의 중간이 되고, 특히 실리콘의 밴드갭은 1.12eV가 되지요. 그래서 밴드갭의 의미는 반도체에서 자유전자를 뽑아내는 데 얼만큼의 에너지가 필요한지를 나타내는 척도라고 할 수 있습니다. 밴드갭의 에너지(Eg)는 적정량이 가장 좋습니다. 너무 크면 Tr을 ON시키기가 힘들고, 너무 작으면 Tr이 OFF되어야 할 상황임에도 불구하고 너무 쉽게 ON이 되어 Tr을 제어하기가 도리어 힘들어집니다. 이런 의미에서 Si14는 밴드갭 측면에서도 적정수준을 유지하는 환상적인 반도체 재질이 되겠습니다

오랫동안 거시적인 세계의 기준으로 미시적 세계를 해석하려 했던 여러 가지 시도는 실패했습니다(어떤 경우는 동일 현상을 관찰했을 때, 거시적 해석과 미시적 해석의 결과가 반대로 나오기도 했지요). 입자의 크기가 파동의 크기에 비해 현격히 작은 경우, 통계와 확률로 판단할 수밖에 없으므로 그에 따라 불확정성 원리 및 에너지의 양자화 등이 등장했습니다. 전자의 확률적 존재를 에너지의 불연속성을 통하여 입증해내는 작업이 플랑크, 보어, 파울리를 거쳐서 진행되었으며, 슈뢰딩거와 하이젠베르크가 최종적으로 증명해내었습니다. 그 후 에너지 밴드 및 에너지 갭 개념이 발전되었고, 페르미와 조머펠트의 도움으로 반도체 내부의 전자들의 입자 수(농도)와 이동 현상을 해석해낼 수 있어서 반도체를 만들 때 외부에서 얼마의 가스량을 주입해야 하는지를 가늠(기타 변수들도 동일)할 수 있게 되었습니다. 이렇듯 현대과학의 발전을 더듬어보면 반도체의 발전이 필연적일 수밖에 없고, 향후 미래과학과 더불어 반도체 산업은 꾸준히 융성할 것입니다.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체 상식 : 2. 반도체의 기반 “밴드갭(Band-gap)”

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이번 포스터는 반도체의 기본인

밴드갭(Band-gap)에 대해서 써보려고 합니다

밴드갭을 이해하기 위해선

먼저 단결정(Single crystal)에 대해서 이해하셔야 합니다

단결정에 대한 내용은 지난 포스터에

설명한 글이 있으니 아래 링크를 참조하시기 바랍니다

반도체 상식 : 1. 반도체 기본 “웨이퍼(Wafer)와 실리콘(Silicon)”

밴드갭은 뭘까요?

밴드(Band)는 우리말로 “띠”라는 뜻이고

갭(Gap)은 “간격”이라는 뜻이니까

띠와 띠 사이의 간격 이라고 생각하실 수 있는 데요

간단하게 예를 들어 설명을 드리겠습니다

하나의 주택 집이 있다고 생각해보죠

집을 짓기 위해선 가장 먼저 있어야 될 건 무엇일까요?

당연히 집을 짓기 위한 기반인

“땅”이 있어야 합니다

밴드갭은 집을 짓기 위한 기반인

땅과 같은 존재라고 생각하시면 됩니다

즉, 아무것도 없는 순수한 상태인 것이죠

밴드갭은 어떻게 형성이 될까요?

밴드갭은 수없이 많은 원자들의 결합을 통해

형성 이 됩니다

이 때 조건은 “단결정 결합”을 하고 있어야 하죠

먼저 많은 사람들이 알고 있는

보어의 원자 모형을 통해서 설명을 드리죠

반도체에서 많이 쓰이는 실리콘을 예를 든다고 하면

실리콘의 원자 모형은 아래와 같습니다

실리콘에 대한 보어 원자 모형

원자는 가운데 양성자, 중성자가 있고

바깥 쪽으로 전자 껍질이 있고

전자 껍질 안에 전자가 존재하고 있습니다

양성자와 중성자는 밴드갭을 이해하기 위해서

딱히 필요없는 것이니 따로 설명을 드리진 않겠습니다

우리가 여기서 집중해야 할 것은 바로

“전자 껍질”입니다

전자 껍질은 여러 개의 에너지 준위로 이루어져 있습니다

s, p ,d , f, ….등

여러 가지가 있지만 그냥 단순하게

전자 껍질을 “에너지 준위(Energy state)”라고 하겠습니다

(전자 껍질 = 에너지 준위)

실리콘 원자가 딱 하나가 있을 때는

위에 있는 그림의 원자 모형 형태로 존재할 겁니다

여기서 실리콘 원자가 하나가 아닌

두 개가 결합을 하고 있다면 어떻게 될까요?

두 개의 원자 모형이 따로 존재하는 형태가 될까요?

이렇게 존재할까요?

아닙니다

두 개의 원자 모형이 겹쳐져 있는 형태로 존재하게 됩니다

(그 이유는 두 원자의 결합 거리가 거의 무한대로 가깝기 때문 )

동일한 자리에 동일한 에너지 준위가 2개 존재하는 거죠

전자는 그림에서 제외했습니다..

그런데 동일한 자리에 있는 2개의 에너지 준위는

서로 싸움이 일어나게 됩니다

(엥?)

세상엔 2개의 태양이 존재할 수 없듯이

서로 자리를 차지하려고 싸우게 되죠

결국 이 둘은 휴전을 맺고 분리가 일어나게 되는 데요

동일한 자리에 둘이 존재하지 않고

서로 약간의 차이를 두고 대치 상태를 이루게 됩니다

이러한 상태를 전문 용어로

“파울리의 배타 원리(Pauli exclusion principle)”이라고 합니다

볼프강 파울리 (노벨 물리학상 수상)

출처 : 위키백과

파울리의 배타 원리는 간단하게 설명해서

“동일한 위치에너지에 동일한 에너지 준위는 존재할 수 없다”입니다

즉, 동일한 자리에 동일한 에너지 준위 2개 이상이

존재할 수 없다기 때문에

이를 만족하기 위해서 동일한 에너지 준위가 분리되고

약간의 에너지 차이를 두게 되는 것이죠

그런데 만약 2개가 아닌

수 없이 많은 실리콘 원자들이

규칙적으로 결합(=단결정)이 되어 있다고 하면

어떻게 될까요?

눈치 채신 분들도 계시겠지만

동일한 자리에 있는 에너지 준위가

더 많은 분리가 일어나게 됩니다

이러한 에너지 준위의 분리들이

마치 띠와 같은 형태를 띄고 있다고 해서

“에너지 밴드”라고 불리고 있고요

이러한 밴드와 밴드 사이의 간격이

바로 “밴드갭”이 되겠습니다

참고로 밴드갭은 안정상태에서

전자가 존재하는 최외곽 에너지 밴드 와

전자가 존재하지 않는 그 다음 에너지 밴드 사이를

밴드갭이라고 명하고 있습니다

실리콘의 단결정 결합으로 인해

밴드갭이 존재함으로써

마치 집을 짓기 위한 기반인 땅이 마련된 것이죠

집은 곧 “반도체”를 말합니다

여기에 도핑(Doping, 치환)을 하게 되면

땅에 수도관을 연결하게 되는 것인데요

도핑에 대한 내용은 다음 포스터에서 작성하도록 하겠습니다

오늘도 좋은 하루 되세요!

“항상 무엇인가를 듣고, 항상 무엇인가를 생각하며, 항상 무엇인가를 배운다.

이것이 인생의 참된 삶의 방식이다”

– 아서 헬프스 –

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