반도체 물성 - 에너지 밴드, 페르미 준위

1. 에너지 밴드

1) 가전자대(Valence Band)

○ 외부 조건에 따라 전자가 원자핵의 구속을 벗아날 수 있는 에너지 준위입니다.

○ 에너지 밴드 중 가장 아래에 위치합니다.

○ Ev로 표시합니다.

2) 전도대(Conduction Band)

○ 가전자대의 전자가 핵의 구속에서 벗어나 자유전자가 되는데 필요한 에너지 준위입니다.

○ 에너지 밴드 중 가장 위에 위치합니다.

○ Ec로 표시합니다.

3) 금지대(Band Gap)

○ 가전자대와 전도대 사이에 위치하고 있습니다.

○ 공유결합에서 전자를 떼어 내는 데 필요한 최소의 에너지 준위입니다.

○ 즉 금지대를 뛰어넘는 에너지 준위를 가하게 되면, 가전자대의 전자가 공유결합에서 벗어나 전자대로 올라가게 됩니다.

 

2. 페르미 준위(Fermi Level)

1) 페르미 준위의 정의

○ 페르미 준위는 두 가지 의미를 내포합니다.

○ 첫 번째 절대온도 0K에서 전자를 가질 수 있는 최대 에너지 준위입니다.

○ 두 번째 임의의 온도 T에서 전자가 채워질 확률이 50%인 에너지 준위입니다.

2) 페르미 준위 그래프 분석

○ 아래 그래프는 페르미 준위의 정의를 확인할 수 있는 그래프입니다.

○ 그래프의 X 축은 에너지 준위 Y 축은 전자가 존재할 확률을 의미합니다.

 

○ T=0K 일 떄 Ef 미만 준위에서는 전자가 존재 확률이 100%이고, Ef가 초과할 때 전자의 존재 확률이 0%인 것을 확인할 수 있습니다. 즉 0K일 때 전자를 가질 수 있는 최대 에너지 ㅠ준위인 것을 확인할 수 있습니다.

 

○ 온도 T가 높아질수록 Ef 초과 준위에서 전자가 존재할 확률이 높아지는 것을 확인할 수 있습니다.

이때, 전자가 존재할 확률이 높아지는 만큼 Ef 미만 준위에서 전자가 비워질 확률도 높아집니다.

즉 E=Ef를 기준으로 대칭이며, 이 지점에서는 어떤 T일 경우일지더라도 전자가 채워질 확률이 50%인 것을 확인할 수 있습니다.

3. 물질별 에너지 밴드

1) 부도체

○ 가전자대와 전도대 사이의 거리가 매우 커서 전하의 이동이 일어나지 않습니다.

○ 대표적으로 유리, 나무 등이 있습니다.

2) 반도체

○ 가전자대와 전도대 사이의 거리가 좁아서 약간의 에너지를 가해도 가전자대의 전자가 전도대로 이동할 수 있습니다.

○ 도체와 부도체의 성질을 모두 갖고 있기에 반도체라고 불립니다.

3) 도체

○ 가전자대와 전도대가 합쳐져 있어서 항상 전하의 이동이 일어날 수 있습니다.

○ 대부분의 금속이 도체에 속합니다.

 

<출처>

http://ko.hyfive.wikidok.net/wp-d/601bf0d7bfb7bea10c422679