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작성일 : 20-03-30 10:32
<과학을 시로 말하다> 금지대역 안에 중간층이 있다
 글쓴이 : 전파과학사
조회 : 82  



앞에서 하층부인 ‘가전자대역’과 상층부인 ‘전도대역’ 사이의 간극이 커서 소수의 전자들만이 ‘가전자대역’에서 ‘전도대역’으로 올라갈 수 있다고 설명한 바 있다. 이 에너지 간격을 에너지갭(energy gap, Eg또는 에너지 밴드갭이라고 부른다. 물질의 전기적, 광학적 특성은 이 에너지갭에서 나온다. 금속은 에너지갭이 없고 절연체의 에너지갭은 반도체의 에너지갭보다 더 크다. 따라서 금속의 전기 전도도가 가장 높고, 절연체의 전기전도도가 가장 낮으며, 반도체는 중간쯤 된다. 비록 반도체에서 전자가 가전자대역에서 전도대역으로 올라가기가 어려울 정도로 두 대역 사이에 간격이 많이 떨어져 있다고 하더라도 순수한 실리콘 반도체에 인(P)이나 비소(As)와 같은 불순물을 첨가하면, 그림 1.3과 같이 ‘금지대역’ 안에 불순물 전자들이 거할 수 있는 중간층이 전도대역 바로 밑에 생긴다. 이 중간층을 ‘불순물 준위 (불순물의 에너지 준위, Ed)’라고 부른다. 그런데 이 중간층과 전도대역 사이의 간격(Ec - Ed)은 아주 작기 때문에, 절대온도 300도에서도 거의 모든 불순물 전자들이 그림 1.3 (b)처럼 열에너지를 받아 상층부로 올라가 있다. 보통 반도체 소자의 불순물 농도는 ~1016 cm-3 이상인데, 이것은 실리콘 원자 수백만 개 중에서 불순물 1개가 첨가되어 있는 꼴이다. 그래도 이 정도면 엄청난 숫자의 불순물 전자들이 상층부인 전도대역으로 올라가서 반도체 소자의 기능을 원활히 수행할 수 있다. 금지대역 안에 생기는 중간층의 위치는 불순물의 종류에 따라서 다르다. 보통 실리콘에 불순물을 첨가하는 경우, 이 중간층의 위치는 전도대역으로부터 아래로 약 0.03~0.06eV만큼 떨어져 있다. 그림 1.3은 불순물로 비소를 첨가한 실리콘 반도체의 에너지대역의 모습으로 중간층의 위치가 전도대역으로부터 0.03eV 만큼 떨어져 있는 것을 보여주고 있다. 실리콘 반도체에서 전도대역과 가전자대역 사이의 에너지갭이 1.1eV 라는 것을 감안할 때, 중간층의 위치가 얼마나 전도대역에 바짝 붙어 있는지를 알 수 있다. 이 말은 중간층에 있는 불순물 전자들이 가전자대역에 있는 전자들에 비해서 훨씬 쉽게 자유전자, 즉 ‘전도 전자’가 될 수 있다는 것을 의미한다. 이들 ‘전도 전자’들은 전류의 흐름에 기여한다. 따라서 불순물을 반도체에 많이 첨가할수록 그만큼 많은 불순물 전자들이 ‘전도 전자’가 되기 때문에 반도체의 전기 전도성은 높아진다. 우리 사회에도 ‘중간층’이 있을까? 여기서 말하는 ‘중간층’은 ‘중산층’과는 다른 개념이다. 하지만 엄연히 ‘중간층’은 존재한다. 여기에 속한 사람들은, 아직은 상류층에 속해 있지는 않지만 상류층 근처에 있기 때문에 기회가 오면 상류층으로 도약할 수 있는 집단을 의미한다. 벤처 기업을 창업해 성공한 CEO나 발명품이 대박이 나서 수혜를 입은 자들이 여기에 해당된다고 말할 수 있지 않을까?


 
   
 

 

 

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