전도띠
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1. 개요
전도띠는 고체 내에서 전자가 존재할 수 없는 에너지 범위인 밴드갭과 관련이 있다. 반도체와 부도체는 밴드갭으로 분리된 밴드를 가지는 반면, 전도체는 밴드가 겹쳐져 있다. 고체의 전기 전도도는 원자가 띠에서 전도 띠로 전자를 이동시키는 능력에 따라 달라지며, 반도체는 열적 여기를 통해 전도성을 가지며, 반도체 나노결정의 경우 띠 간격이 크기에 따라 변화한다.
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- 띠 이론 - 띠구조
띠구조는 결정 내 전자의 에너지 범위를 나타내는 개념으로, 에너지 띠와 띠틈으로 구성되며, 도체, 절연체, 반도체의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. - 띠 이론 - 띠틈
띠틈은 반도체와 절연체에서 전자가 존재할 수 없는 에너지 준위 범위로, 물질의 전기적, 광학적 특성을 결정하며 직접 띠틈과 간접 띠틈으로 나뉘고, 띠틈 엔지니어링을 통해 제어 가능하다. - 고체물리학 - 원자가띠
원자가띠는 반도체의 전기적 특성을 설명하는 밴드 이론의 중요한 개념으로, sp3 혼성 궤도에 의해 형성되며, 스핀-궤도 상호작용 등에 의해 여러 밴드로 나뉜다. - 고체물리학 - 반금속
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| 전도띠 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 물질 내에서 전자의 에너지 준위를 나타내는 에너지 밴드 중 하나로, 전자가 전도에 기여할 수 있는 에너지 준위이다. |
| 역할 | 물질의 전기적 전도성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. |
| 에너지 준위 | 페르미 준위 이상의 에너지를 가지며, 전자가 이 밴드 내에서 자유롭게 이동할 수 있다. |
| 특징 | |
| 전자 | 전도띠 내의 전자는 원자핵의 구속에서 벗어나 비교적 자유롭게 이동할 수 있다. |
| 전기 전도 | 전도띠에 전자가 존재하면 물질은 전기 전도성을 나타내며, 이를 통해 전류가 흐를 수 있다. |
| 에너지 갭 | 원자가띠와 전도띠 사이에는 에너지 갭이 존재하며, 이 갭의 크기에 따라 물질의 전기적 성질이 결정된다. |
| 도체 | 도체의 경우 전도띠와 원자가띠가 겹쳐 있어 전자가 쉽게 전도띠로 이동할 수 있다. |
| 부도체 | 부도체의 경우 에너지 갭이 매우 커서 전자가 전도띠로 이동하기 어렵다. |
| 반도체 | 반도체의 경우 에너지 갭이 비교적 작아 외부 에너지(열 또는 빛)에 의해 전자가 전도띠로 이동할 수 있다. |
| 관련 개념 | |
| 에너지 밴드 이론 | 전자의 에너지 준위를 설명하는 이론으로, 전도띠는 이 이론의 핵심적인 개념이다. |
| 원자가띠 | 전자가 원자에 속박되어 있는 에너지 준위로, 전도띠 아래에 위치한다. |
| 페르미 준위 | 절대 영도에서 전자가 채워질 수 있는 최대 에너지 준위이다. |
| 전기 전도도 | 물질이 전기를 통과시키는 능력으로, 전도띠 내의 전자 수와 이동도에 의해 결정된다. |
| 응용 | |
| 반도체 소자 | 트랜지스터, 다이오드, 태양 전지 등 다양한 반도체 소자의 동작 원리에 전도띠가 중요한 역할을 한다. |
| 디스플레이 | LED, OLED 등 디스플레이 소자에서 발광 현상은 전도띠와 원자가띠 사이의 전이 과정과 관련된다. |
| 센서 | 각종 센서에서 물질의 전기적 성질 변화를 감지하는 데 전도띠의 변화를 이용한다. |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 페르미-디랙 분포, 유효 질량, 전자 밀도, 밴드 갭 |
2. 밴드갭
반도체와 부도체에서 두 밴드는 밴드갭으로 분리되어 있지만, 전도체에서는 밴드가 겹쳐 있다. 밴드갭은 고체 내에서 에너지의 양자화로 인해 전자 상태가 존재할 수 없는 에너지 범위이다. 밴드 개념 내에서, 원자가 밴드와 전도 밴드 사이의 에너지 차이가 밴드갭이다.[1] 비금속의 전기 전도도는 전자가 원자가 밴드에서 전도 밴드로 여기될 수 있는 정도에 따라 결정된다.
고체에서 전자가 전하 운반자로 작용하는 능력은 비어 있는 전자 상태가 있는지에 달려 있다. 이를 통해 전자는 전기장이 가해질 때 에너지를 증가시킬 수 있다(즉, 가속). 마찬가지로 거의 채워진 원자가 띠의 정공(빈 상태)도 전도성을 허용한다.
크기 의존성 전도대 또는 원자가대의 띠 간격 변화는 반도체 나노결정 분야에서 연구되고 있는 현상이다. 반도체 나노결정에서 이러한 현상이 나타나는 반지름 한계는 나노결정의 유효 보어 반지름이다. 엑시톤에 의해 반도체 나노결정이 제한될 때, 이 반지름 한계 미만에서는 불연속적인 광학 전이 때문에 전도대 또는 원자가대의 띠 간격이 더 높은 에너지 준위로 이동한다. 이러한 띠 간격 변화의 결과로 전도대 또는 원자가대의 크기가 감소한다. 이러한 크기 의존성 전도대 또는 원자가대 띠 간격 변화는 반도체 나노입자의 크기 또는 농도 또는 띠 구조에 대한 많은 유용한 정보를 제공할 수 있다.[2]
[1]
서적
The electronic structure and chemistry of solids
https://www.worldcat[...]
Oxford University Press
1987
3. 전기 전도도
따라서 고체의 전기 전도도는 원자가 띠에서 전도 띠로 전자를 흐르게 하는 능력에 따라 달라진다. 겹치는 영역이 있는 준금속의 경우 전기 전도도가 높다. 작은 띠 간격(Eg)이 있는 경우, 원자가 띠에서 전도 띠로 전자가 흐르려면 외부 에너지(열 등)가 공급되어야 한다. 이러한 작은 Eg를 가진 그룹을 반도체라고 한다. Eg가 충분히 높으면 정상적인 조건에서는 원자가 띠에서 전도 띠로 전자의 흐름이 무시할 수 있게 된다. 이러한 그룹을 절연체라고 한다.
그러나 반도체에는 어느 정도 전도성이 있다. 이는 열 여기 때문인데, 일부 전자는 띠 간격을 한 번에 뛰어넘을 만큼 충분한 에너지를 얻는다. 일단 전도 띠에 들어가면 전기를 전도할 수 있으며, 원자가 띠에 남겨둔 정공도 마찬가지이다. 홀은 원자가 띠의 전자에게 어느 정도의 자유도를 허용하는 빈 상태이다.
4. 반도체 나노입자의 밴드 가장자리 이동
참조
[2]
논문
Size-Dependent Valence and Conduction Band-Edge Energies of Semiconductor Nanocrystals
http://dx.doi.org/10[...]
2011-06-22
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