전도체 vs 절연체 vs 반도체

전도체 vs 절연체 vs 반도체

기술이 발전함에 따라 반도체 또한 아주 급격한 성장을 이루어냈다. 반도체가 앞으로나 모든 기술에 있어서 매우 중요한 기술로 여겨지지만 전도체와 절연체 또한 반도체의 발전을 위해서 반드시 같이 이해되어야 한다. 이번 포스트에서는 전도체, 절연체 그리고 반도체의 특성을 알아보고 서로 어떻게 다른지 알아보려 한다.

전도체(Conductors)

전도체는 보통 여러형태의 에너지를 통과시키는 성질을 가지는 물질을 일컫는다. 여러 형태의 에너지를 포함하지만, 여기서는 전기적 에너지에 집중하여 알아보려 한다. 

금속(Metal)

금속은 가장 널리 알려진 전도체의 형태이다. 메탈의 전도성(conductivity)는 금속 접창(the metal bonding)에 의한 자유 전자(free electrons or Fermi gas)를 기반으로 하고 있다. 이미 매우 낮은 에너지의 전자들이 원자로부터 충분히 분리되어 있기 때문에 전도성이 이루어질 수 있다.

전도성은 온도에 의존적이며, 만약 온도가 올라간다면 금속의 원자들은 매우 크게 움직이게 된다. 그로인해 전자들의 움직임이 제한되게 되는데 이로 인해 금속의 저항성이 증가하게 된다. 현재 알려져있는 금속들 중 전동성이 가장 좋은 금속은 금과 은이지만 높은 가격으로 사용이 매우 제한적이다. 대신 많이 쓰이는 금속은 알루미늄(aluminum)이나 copper(구리) 이다.

소금(Salt)

추가적으로, 소금도 전도성을 가지게 되는데 메탈과는 방식이 조금 다르다. 우선 소금에는 자유전자(free electrons)가 존재하지 않는다. 따라서, 전도성은 소금이 녹거나 용해될때 발생되는 이온에 매우 의존적이게 된다. 녹거나 용해된 소금에서 발생된 이온들은 자유로운 움직임이 가능하고 이로 인해 전도성을 띄게 된다.

절연체(Insulator)

전도체와 다르게 절연체는 자유 전하를 가지고 있지 않기때문에 전도성이 없다.

원자 결합(The atomic bond)

원자 결합은 비금속물질의 공유된 전자쌍을 기반으로 한다. 비금속의 요소들은 마치 전자를 잡아 묶어두려는 성향을 가지게되며, 이로 인해 자유 전자가 존재 하지 못하게 된다. 따라서, 절연체는 전하를 운반할 수 있는 자유전자를 가지지 못하게 되며 전기적 전도를 이룰 수 없게 된다.

이온 결합(The ionic bond)

고체 상태에서는, 이온들이 격자 네트워크형태로 배열 되어진다. 전기적 힘에 의해, 분자들이 묶여있게 되며, 이로 인해 자유 전하가 존재하지 못하게 된다. 즉, 전류가 흐를 수 없는 형태이다. 이러한 이온들은 전도체, 절연체 모두 존재한다.

반도체(Semiconductor)

반도체는 이름 그대로 전도체와 절연체 반(중간)정도의 성질을 띄는 물체이다. 금속과는 다르게 온도가 올라 갈수록 전도성이 증가하게된다. 온도가 올라가면 결합을 깨뜨려 버리며, 이로 인해 자유 전자가 생성되게 된다. 자유 전자가 생성된 지점은 전자의 부재가 생기며 이를 정공(hole)이라고 일컫는다.

반도체에서 전자의 흐름은 반도체의 전도성에 따라 결정되며, 이러한 전기적 띠 구조(band structure)는 반도체의 행동의 특성을 이해함에 있어서 도움을 준다.

밴드 모델(The band model)

전기적 밴드 모델 구조는 에너지 밴드 모델로써 전도체, 절연체, 반도체의 전도성을 설명하기 위해 도입되었다. 에너지 밴드 구조는 가전대, 전도대, 그리고 그 사이이 밴드 갭으로 구성되어진다(valence band, conduction band, the band gap). 가전대와 전도대 사이에 존재하는 밴드 갭의 넓이는 물체의 전도성에 영향을 주게 된다.

에너지 밴드(The energy band)

단일 원자(a single atom)을 고려해볼때, 보어의 원자 구조 모델에 따라서 뚜렷한 에너지 레벨이 존재하게 되고 이러한 에너지 레벨들에 전자가 놓여지게 될 수 있다. 만약 여러개의 원자가 나란히 있으며 서로 상호 의존적이라면, 분리된 에너지레벨이 생기게 된다. 실리콘 크리스탈 구조에서는, 약 10^23 atoms/cm^3 가 존재하기때문에 개개의 에너지 레벨은 더 이상 특별이 분간되기 힘들어진다. 따라서, 넓은 에너지 영역이 고려되게 된다.

에너지 밴드의 너비는 전자들이 원자와 얼마나 강력하게 결합되있는가와 관련있다. 가장 높은레벨에 있는 가전대 전자들은 매우 강력하게 근처의 원자들과 상호작용하고 매우 많은 양의 원자들과 관련해서, 단일 전자는 더이상 단일 원자와 같이 배열 되지 않는다. 그 결과 개개의 원자의 에너지 밴드는 지속적인 밴드와 합병되며 가전대를 구축한다.

전도체의 밴드 모델(The band model of conductors)

전도체에서는, 가전대(the valence band)는 전자로 완전히 채워져 있지 않고나 채워진 가전대가 비어있는 전도대와 겹쳐있게 된다. 보통, 두 상태는 동시에 일어나며, 그로인해 전자는 부분적으로 채워진 가전대나 겹쳐진부분으로 이동이 가능해진다. 전도체에서, 가전대와 전도대의 밴드갭은 존재하지 않는다.

절연체의 밴드 모델(The band model of insulators)

절연체에서 화학적 결합이 전자쌍을 공유하는 이온 결합으로 인해(covalent bond) 가전대는 완전히 전자로 채워져있다. 전자들은 움직이지 못하게 되는데 그 이유는, 전자들이 원자들 사이에 갇혀버리기 때문이다. 어떤 물질이 전도성을 가지기 위해서는, 가전대로부터의 전자들이 반드시 전도대로 이동하여야 한다. 하지만 절연체에선 가전대와 전도대 사이의 밴드갭이 매우 크기때문에 전기적 전도성을 가지기 힘들다. 만약 절연체에 전도성을 가지게 할만한 아주 큰 에너지가 공급된다고 가정하게되면(가능성은 희박하지만..), 절연체는 아주 미미하지만 전도성을 가질 수 있게 된다.

반도체의 밴드 모델(The band model of semiconductors)

전도체와 다르게 반도체는 절연체처럼 밴드 갭이 존재한다. 하지만 절연체와 비교하였을때 이러한 밴드갭의 너비는 상당히 작은편이며 상온에서도 가전대로부터의 전자가 전도대로 이동이 가능하다. 전자들은 자유롭게 이동하며 대전된 전하처럼 행동한다. 추가적으로, 가전대를 떠난 전자들때문에 가전대에는 정공(holes)들이 남게 되며 이러한 정공들은 가전대에 존재하는 다른 전자들로 인해 채워지게 된다. 그러므로, 가전대의 떠도는 정공(holes)은 (+)로 대전된 전하로 여겨질 수 있다.

정공과 전자는 항상 쌍을 이루게 되고(pairs of electrons and holes) 그로인해 (-)로 대전된 전하가 존재하는 만큼 (+)대전된 전하(holes)가 또한 존재하게 된다. 즉 반도체 크리스탈은 전반적으로 중성을 띄게 된다. 다시 말하면, 도핑되지 않은 반도체는 진성 반도체이다(intrinsic semiconductor).

전자들은 항상 에너지적으로 낮은 상태라고 가정되기 때문에, 만약 에너지가 공급되지 않는다면 가전대로 돌아가게 되며 정공과 쌍을 이루게 된다. 전도대로 올라선 전자들은 특정 온도에 도달하게 되면 전자들 사이에 평형상태가 존재하게 되고 전자들은 다시 가전대로 떨어지게 된다. 온도의 증가와 함께, 밴드갭을 뛰어넘는 전자들의 수도 같이 증가하게 되고 그로 인해 반도체의 전도성 또한 증가하게 된다.

에너지 밴드갭은 특정한 파장을 가진 에너지에 상응하기 때문에, 특정한 LED(light emitting diode)의 색을 얻기 위해서는 변화가 필요하다. 이러한 변화는 다른 물질들을 서로 결합하면서 가능하다. Gallium arsenide(GaAs) 상온에서 1.4eV의 밴드갭을 가지며 빨간 빛을 방출한다.

실리콘의 진성 전도성은 별로 흥미롭지 않은 기능적 요소를 가지고 있는데 왜냐하면 오직 공급된 에너지에만 의존하기 때문이다. 즉, 진성 전도성은 온도에 의해 변하게 되고, 추가로 메탈과 비교해서 전도성은 매우 높은 온도에서만 가능하다 (약 수백 도 범위℃). 반도체 전도성에 정교하게 영향을 끼치기 위해서는, 불순물 원자가 보통의 실리콘 격자에 도입됨으로써 자유 전자와 정공의 숫자에 변화를 주면서 성질의 변화를 일으킬 수 있다.

출처

https://www.halbleiter.org/en/fundamentals/conductors-insulators-semiconductors/#Conductors