원자들이 결합을 하는 이유는?
어떤 원자의 최외각 전자는 원자 내에서 가장 큰 에너지를 가지며, 불안정하다. 그렇기 때문에 전자의 이동이 다른 전자들에 비해서 용이하다. ( 이때의 이동은 전자가 큰 곳에서 작은 쪽으로 이동하려는 성질을 가진다.)
불안정한 원자가 Energy를 낮추는 가장 대표적인 방법은 바로 Bonding(=결합)을 하는 것이다.
이러한 이유로 입자들은 보통 덩어리의 형태로 발견되며, 이 덩어리는 원자들이 energy를 낮추기 위해 구조(= 결정형태)를 바꾼 것이다.
"구조"가 바뀌면 "전자와 @들의 상호작용"이 변화한다. 이는 "전자들의 Energy 준위"를 변화시키며, 물질의 물성을 변화시킨다.
즉, 구조의 변화는 물성의 변화를 초래한다.
'물성' 이란 말 그대로 물질의 성질이며, 물질을 이루는 원자나 분자가 나타내는 성질이다.
물성에는 물리적인 성질과 화학적인 성질이 있다.
더 자세한 이야기는 이후에 다루겠다.
Energy Diagram(에너지 밴드)의 기초
반도체를 알아보기 전 기본적인 Energy Band Diagram(에너지 밴드)부터 알아보자.
우리는 Conduction Band(= 가전자대), Valence Band(= 전도대)라는 개념을 한번쯤 들어봤을 것이다.
Valence band는 T=0K에서 Electron으로 가득 차 있으며, 이때 Band Gap이상의 Energy를 공급한다면 Conduction band로의 전자들의 천이가 이루어진다.
이때 Band Gap(= Eg)을 줄인다면, 이전보다 적은 energy로 전자를 이동시킬 수 있을 것이며 conduction band에 electron이 올라가기 용이해진다. 따라서, Valence Band보다 Conduction Band에서의 에너지가 더 높다.
(만약 band gap보다 작은 Energy를 공급 시 이론상 그냥 Energy는 통과된다. ) Tmi로 Valence Band와 Conduction Band가 모두 차있다면, Band gap 만큼의 에너지를 줘도 이동하지 않는다.
Band Gap은 전자들이 가질 수 있는/ 없는 Energy에 의해서 결정된다.
* Energy State의 개념으로 살펴보자.
반도체인 Si 원자 1개가 있다고 생각해보자.
이 Si원자는 전자들의 energy가 완벽하게 양자화 되어있을 것이다. 즉, energy band는 연속적이지 않다.
그러나, Si 원자가 매우 많다면 어떻게 될까?
일단, 전자가 존재 가능한 State의 개수가 매우 많아질 것이다. 이는 아주 작은 Energy로도 전자들의 Energy State 위 아래 이동이 가능하다는 것이다. 따라서, energy state는 마치 연속적인 Band 형태로 존재할 것이다.
원자의 입장으로 살펴보자.
이러한 단일 원자의 형태에서는 매우 강한 공유결합으로 옥텟을 만족시키고 있기 때문에, Band gap보다 작은 에너지로는 절대 전자들이 움직이지 않을 것이다.
두 개의 Atom원자가 전자를 잡고 있는 상황으로 생각해보면, 전자들이 약간의 움직일 수 있는 폭이 생긴다. 즉, 전기적인 자극을 줬을 때, 전자들은 작지만 움직일 수 있게 된다. 이는 전기 전도도의 기초 개념이다.
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