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일반화학/[12장] 고체 및 최신 소재

고체의 띠 이론. 도체, 반도체, 부도체 ★

by 영원파란 2015. 5. 26.
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고체의 띠 이론. 도체, 반도체, 부도체

Band Theory of Solids

 


 

고체의 띠 이론에서

 

결합성 MO로 형성된 띠를 원자가띠(Valence Band, VB),

( 또는 전자를 포함하는 가장 높은 띠 )

( 참고: MO 이론 https://ywpop.tistory.com/6048 )

 

반결합성 MO로 형성된 띠를 전도띠(Conduction Band, CB),

( 또는 원자가띠 바로 위에 전자가 비어있는 띠 )

 

두 띠 사이의 에너지 차이를 띠간격(band gap)이라고 합니다.

 

 

 

띠 이론에서는 원자가띠에 있는 전자들이 전도띠로 이동할 때,

전기가 흐른다고 설명하고 있으며,

 

따라서 이 띠간격이 겹쳐있으면, 도체,

( 전자들이 쉽게 전도띠로 이동할 수 있습니다. )

( 전기가 잘 통한다. )

 

약간 떨어져 있으면, 반도체,

( 전자들이 어느 정도 전도띠로 이동할 수 있습니다. )

( 전기가 어느 정도 통한다. )

 

많이 떨어져 있으면, 부도체(= 절연체)로 구분합니다.

( 전자들이 전도띠로 이동할 수 없습니다. )

( 전기가 전혀 통하지 않는다. )

 

 

 

 

[그림] 도체, 반도체, 절연체(= 부도체).

 

> 반도체: 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 전혀 통하지 않는 부도체의 중간 성질을 갖는 물질

 

 

 

 

[그림] conductor, semiconductor, insulator, filled band, valence band, conduction band, band gap.

 

 

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도체가 전기를 통과시킬 수 있는 이유는

도체를 구성하는 원자(atom)의 전자(electron)가 원자의 구속에서 벗어나

도체 내에서, 즉 도체 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로

자유로이 이동할 수 있기 때문입니다.

 

 

 

그럼 어떻게(, 또는 언제) 원자에 구속되어 있는 전자가

원자의 구속에서 벗어나 자유로이 이동할 수 있을까요?

 

 

 

원자가띠에 있는 전자는 원자에 구속된 전자입니다.

원자가띠에 있는 전자가 전도띠로 이동하면, 또는 이동할 수 있다면,

이 전자는 원자의 구속에서 벗어나 도체 내에서 자유로이 이동할 수 있습니다.

( 그래서 이 전자를 '자유 전자'라고 부릅니다. )

 

여기서 원자가띠와 전도띠의 간격을 밴드갭(band gap)이라 합니다.

 

 

 

 

[그림] 전자 바다 모델(electron sea model).

 

금속성 고체(금속 결합)의 전자 바다 모델(electron sea model)에서,

도체 내를 자유로이 이동하는 자유 전자들이 바로,

전도띠에 존재하는 전자들이다.

 

 

금속이 열과 전기를 잘 전달하는 이유,

즉, 금속이 열전도성과 전기전도성이 좋은 이유는

바로 금속의 자유 전자 때문이다.

 

 

 

[참고] 금속 결합: 금속 양이온과 자유 전자 사이의 정전기적 인력에 의한 결합

( 참고: 3가지 화학 결합 https://ywpop.tistory.com/3036 )

 

 

 

 

[ 그림 출처: chem.libretexts.org ] crystal structure of metals.

구형의 점 하나하나가 금속 원자이다.

 

 

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원래는 분자 오비탈(MO)로 설명해야 하나,

개념을 간단히 설명하기 위해 원자 오비탈로 설명하면,

 

▶ 마그네슘(Mg)의 전자 수 = 12개

 

 

▶ Mg의 바닥상태 전자배치: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2

 

 

▶ 마그네슘은 3s 오비탈까지 전자가 채워지므로,

( 즉, 3s 오비탈까지 전자가 "모두", “”, “전부” 채워졌다, 채워져 있다. )

 

3s 오비탈이 전자가 채워진 가장 높은 오비탈이다. 따라서

3s 오비탈이, 또는 3s 오비탈까지가 원자가띠(VB)가 되고,

3p 오비탈이, 또는 3p 오비탈 이상이 전도띠(CB)가 된다.

 

 

 

 

[그림] 마그네슘 원자의 바다상태 전자배치.

 

마그네슘 원자 1개로 나타내면 위 그림과 같지만,

마그네슘 금속은 수많은 원자로 이루어져 있기 때문에,

마그네슘 금속의 오비탈은 띠(band) 구조가 된다.

( 참고 https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-2/band-theory-of-solids/ )

 

 

( 참고: 나노입자의 띠 구조 https://ywpop.tistory.com/2630 )

 

 

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100개의 계단(=밴드, 띠, 오비탈)이 있고, 20명의 사람(=전자)이 있습니다.

첫 번째 계단부터 차례대로 한 사람씩 계단에 올라간다면,

(사람으로 계단을 채운다면,)

20개의 계단까지 한 사람씩 올라갈 수 있습니다.

(20번째 계단까지 사람으로 채울 수 있습니다.)

이때 20번째 계단 바로 위에 있는 21번째 계단에는 사람이 없습니다.

즉, 비어있습니다. 이 계단(또는 21번째~100번째 계단)의 이름을 전도띠라 합니다.

그리고 20번째 계단(또는 20번째 계단까지)을 원자가띠라 합니다.

( 관련 글 https://ywpop.tistory.com/7443 )

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/13007 ] 고체의 띠 이론. 전도띠의 개념.

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/2939 ] 진성 반도체와 불순물 반도체의 띠 구조

 

 

 

[키워드] 띠 이론 기준문서, 자유전자 기준문서, 반도체 기준문서, 부도체 기준문서, 절연체 기준문서, 띠 이론 사전, 자유전자 사전, 자유전자 때문에 기준문서

 

 

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