1. 물질의 전기적 특성과 에너지 밴드

도체, 반도체, 부도체

물질은 전기 저항(또는 전도도)에 따라 세 가지로 분류됩니다.

• 도체 (Conductor): 전기가 매우 잘 통하는 물질 (예: 은, 구리, 알루미늄).
• 반도체 (Semiconductor): 조건에 따라 전기를 통하게도, 막게도 할 수 있는 물질 (예: 규소, 게르마늄).
• 부도체 (Insulator, 절연체): 전기가 거의 통하지 않는 물질 (예: 유리, 플라스틱, 고무).

왜 열을 가하면, 저항이 높아지는가 (도체 기준)

• 도체 내부에는 자유롭게 이동할 수 있는 자유 전자가 존재합니다.
• 도체에 열을 가하면 내부의 원자핵(격자)이 격렬하게 진동하기 시작합니다.
• 이 진동으로 인해 이동하던 자유 전자가 원자핵과 충돌하는 빈도가 급격히 증가하게 되며, 이 충돌이 전자의 흐름을 방해하므로 저항이 높아집니다.

은이 가장 전기 전도도가 높음

• **모든 금속 중에서 **은(Ag)은 자유 전자의 밀도가 높고 원자 구조상 전자의 이동을 방해하는 격자 산란이 적어 가장 높은 전기 전도도를 가집니다.
• 그럼에도 전선으로 구리(Cu)나 알루미늄(Al)을 주로 사용하는 이유는 은이 너무 비싸기 때문입니다.

Band Gap 내용

• 에너지 밴드 구조: 물질 내 전자가 존재할 수 있는 에너지 영역인 **가전자대(Valence Band)**와 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 **전도대(Conduction Band)**가 있습니다.
• 밴드 갭(Band Gap): 가전자대와 전도대 사이의 전자 가 존재할 수 없는 금지된 에너지 영역입니다.
  • 도체: 가전자대와 전도대가 겹쳐 있어서 밴드 갭이 없습니다. 적은 에너지로도 전자가 쉽게 이동합니다.
  • 반도체: 밴드 갭이 좁습니다. 빛이나 열 같은 에너지를 받으면 전자가 밴드 갭을 넘어 전도대로 이동할 수 있습니다.
  • 부도체: 밴드 갭이 매우 넓어 전자가 상온에서 전도대로 넘어갈 수 없습니다.

반도체에 탄소(C)를 쓰지 않는 이유

• 탄소(C)는 규소(Si)와 같은 14족 원소이지만, 원자 번호가 작아 최외각 전자가 원자핵과 매우 가까이 위치합니다.
• 이로 인해 원자핵이 전자를 끌어당기는 구속력이 너무 강해 밴드 갭이 약 5.5 eV로 매우 넓습니다 (다이아몬드 상태).
• 이 결합을 깨고 전자를 전도대로 올리기 위해 필요한 에너지가 너무 크기 때문에 실온에서 반도체 소자로 작동하기 어려워 탄소 대신 적절한 밴드 갭(약 1.1 eV)을 가진 **규소(Si)**를 사용합니다.