반도체 : 전자 및 정공

대표적인 전자 소자 반도체의 특징으로 전자 및 정공에 대해 소개합니다.

 

전자 및 정공

전자 : 고체를 구성하는 원자들은 금속 결합, 이온 결합 또는 공유결합을 한다. 도체인 금속에는 전자운으로 표현될 만큼 많은 자유전자가 분포되어 있으며 이것이 금속의 전기전도성을 높입니다. 전자운과 양성자들의 전기력에 의한 결합을 금속 결합이라고 합니다. 이온이란 전하를 띠고 있는 원자를 말합니다. 전기적으로 중성인 원자가 가전자 하나를 잃거나 얻게 되면 양전하 또는 음전하를 띠게 됩니다. 이런 양전하 및 음전하를 띤 이온이 만나서 결합하는 것을 이온 결합이라고 합니다. 이온 결합을 하는 물질들은 일반적으로 저항률이 매우 높습니다. 공유결합 역시 가전자들의 결합력이 크기 때문에 공유결합을 하는 실리콘의 저항률도 매우 큰 편입니다. 공유결합을 하고 있는 가전자는 외부로부터 어느 크기 이상의 열 또는 광(빛) 에너지를 받으면 가전자 궤도로부터 이탈합니다. 가전자 궤도를 탈출한 전자는 가전자 궤도로 다시 돌아오기도 하지만(재결합) 원자 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유전자가 되기도 합니다. 반도체공학에서 전자라고 함은 이러한 자유전자를 의미합니다.

 

1. 전자

고체를 구성하는 원자들은 금속 결합, 이온 결합 또는 공유결합을 합니다. 도체인 금속에는 전자운으로 표현될 만큼 많은 자유전자가 분포되어 있으며 이것이 금속의 전기전도성을 높입니다. 전자운과 양성자들의 전기력에 의한 결합을 금속 결합이라고 합니다. 이온이란 전하를 띠고 있는 원자를 말하며 전기적으로 중성인 원자가 가전자 하나를 잃거나 얻게 되면 양전하 또는 음전하를 띠게 됩니다. 이런 양전하 및 음전하를 띤 이온이 만나서 결합하는 것을 이온 결합이라고 하며 이온 결합을 하는 물질들은 일반적으로 저항률이 매우 높습니다. 공유결합 역시 가전자들의 결합력이 크기 때문에 공유결합을 하는 실리콘의 저항률도 매우 큰 편입니다. 공유결합을 하고 있는 가전자는 외부로부터 어느 크기 이상의 열 또는 광(빛) 에너지를 받으면 가전자 궤도로부터 이탈합니다. 가전자 궤도를 탈출한 전자는 가전자 궤도로 다시 돌아오기도 하지만(재결합) 원자 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유전자가 되기도 합니다. 반도체공학에서 전자라고 함은 이러한 자유전자를 의미합니다.

 

2. 정공

전류란 전하를 띤 입자의 흐름입니다. 반도체를 포함한 고체에서 전하를 띤 입자는 전자와 양성자가 있습니다. 그런데 반도체에서 움직일 수 있는 전하는 전자뿐입니다.

그러면 반도체에 존재하는 움직이는 양전하인 정공은 무엇일까요?

반도체에서 전류가 흐르려면 두 가지 조건이 만족되어야 합니다.

전자가 있어야 하며 전자가 이동할 수 있는 공간이 확보되어야 합니다.

공유결합을 하고 있는 실리콘에는 전자가 이동할 수 있는 빈 공간이 각 원자 사이에 존재하지만, 빈 공간을 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 없습니다. 그리고 가 전자 궤도에는 다수의 전자는 존재하나 전자들이 이동할 수 있는 공간이 없습니다. 가전자 궤도에는 전자가 차지할 수 있는 자리가 8개로 정해져 있으며 그 자리들은 이미 각각의 가전자들에 의해 채워졌기 때문입니다. 이것이 반도체의 저항률이 높은 이유입니다.

그런데 가전자가 외부로부터 에너지를 받으면 - 상온에서는 항상 열에너지가 공급되고 있습니다. - 가전자 궤도로부터 이탈하여 자유전자가 되는데, 이때 궤도에 빈자리를 남기게 됩니다. 가전자가 남긴 빈자리는 다른 가전자들에게 이동할 수 있는 공간을 제공합니다. 다시 말해서, 반도체에 전압을 걸면 가전자가 남긴 빈자리를 통해 가전자 궤도의 전자들이 이동함으로써 전류가 흐르게 됩니다. 결과적으로 반도체에는 자유전자와 가전자가 반송자로 존재합니다. 그런데 원자 사이의 넓은 공간을 이동하는 자유전자와 한정된 가전자 궤도의 빈자리를 통해 이동하는 가전자는 이동 속도, 유효 질량 등 물리적 특성에서 큰 차이가 있습니다. 따라서 두 전자를 구별하기 위하여 정공이라는 개념을 도입하였습니다. 빈자리를 이동하는 가전자는 또 다른 빈자리를 남기기 때문에 전자의 이동 대신 거꾸로 빈자리가 가전자의 이동 방향과 반대 방향으로 움직인다고 생각할 수 있습니다. 이와 같이 가전자 궤도에 있는 빈자리의 이동을 움직이는 이바로 가정한 것이 정공입니다.

 

감사합니다.