반도체와 에너지 밴드 모델

한빛미디어의 "현대 반도체 소자 공학" 내용을 바탕으로 작성하였습니다. 

 

1. 원소의 에너지 준위

원자의 전자들은 아래와 같이 각각 다른 에너지 준위에 위치합니다. 전자가 해당 에너지 준위에서 벗어날 때 더 낮은 에너지 준위로 갈 때는 에너지를 방출하면서 내려가고, 더 높은 에너지 준위로 갈 때는 에너지를 흡수하면서 올라갑니다.

이전 글에서 가전자대의 전자가 자유전자가 되는 현상은 최외각 전자가 에너지를 흡수하여 원자의 영향 밖으로 탈출하는 현상에 대해 살펴보았습니다. 이번 글에서는 이러한 현상에 대해 에너지 밴드 모델을 가져와 좀 더 구체적으로 살펴보겠습니다.

https://chrisyoon0705.tistory.com/17

 

2. 에너지 밴드 모델

Ec : 전도 대역의 최소 에너지

Ev : 가전자 대역의 최대에너지 

Eg : Ec - Ev  밴드 갭 에너지

 

전도대역은 원자의 영향력에서 벗어난 상태, 가전자 대역은 원자의 영향력 안에 있는 상태로 보면 됩니다. 밴드 갭이란 개념은 가전자 대역과 전도 대역 사이의 에너지 준위의 차이이고 밴드갭 에너지(Eg)는 전자가 가전자 대역에서 전도 대역으로 넘어가기 위해 흡수해야 할 에너지 량입니다. Si의 Eg는 1.12eV입니다. 

그렇다면 C(탄소)의 경우 Si보다 Eg가 클까요 작을까요?

 

정답의 위 그림을 통해 직관적으로 알 수 있습니다. C는 2주기 원소로 3주기 원소인 Si 에 비해 최외각 전자가 원자핵의 인력이 더 크게 받습니다. 인력이 더 크게 작용하는 만큼 최외각전자가 전도대역으로 넘어가기 위해 필요한 Eg는 C가 Si에 비해 훨씬 큽니다. 

 

탄화규소(SiC) 전력반도체가 핫한 이유 중 하나도 이러한 이유입니다. Si에 C를 결합한 반도체는 밴드갭 에너지가 3.3eV로  일반적인 Si 반도체에 비해 훨씬 넓은 밴드갭을 가집니다. 이러한 특성은 고온, 고전압의 환경과 같이 가전자대의 전자들이 쉽게 에너지를 받아 전도대역으로 튀어 올라올 수 있는 환경에서도 안정적인 성능을 발휘할수 있게 해줍니다.

 

 

3. 도체, 반도체, 부도체 에너지 밴드 모델

 

이때까지 익힌 에너지 밴드 모델 개념을 도체, 반도체, 부도체에 적용하면 위 그림과 같습니다. 도체는 가전자 대역과 전도 대역이 거의 붙어있는 것 처럼 보일만큼 밴드갭이 좁습니다. 따라서 가전자 대역의 전자가 전도대역으로 넘어가는데 필요한 에너지의 양이 적어 전류를 크게 발생시킬 수 있습니다. 반도체의 경우 도체와 부도체의 중간 정도의 밴드갭을 가지고, 부도체의 경우 상당한 밴드 갭을 가져 전류가 통하기 힘든 성질을 가집니다.