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전하 운반자

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목차

1. 개요

전하 운반자는 전하를 운반하는 입자를 의미하며, 도체, 반도체, 초전도체, 플라스마 등 다양한 물질에서 발견된다. 금속에서는 전자가, 전해질에서는 이온이, 플라스마에서는 이온화된 기체의 전자와 양이온이 전하를 운반하며, 반도체에서는 전자와 정공이 전하 운반체 역할을 한다. 초전도체에서는 쿠퍼쌍이 전하를 운반하며, 양자 상황에서는 양전자, 뮤온 등이 전하 운반체가 될 수 있다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 전하 운반자 - 이온
    이온은 전하를 띤 원자 또는 분자로, 전자를 얻거나 잃어 양이온 또는 음이온이 되며, 수용액 내 전극 사이를 이동하는 물질을 설명하기 위해 도입된 용어에서 유래했다.
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전하 운반자
개요
정의자유롭게 움직일 수 있으며 전하를 운반하는 입자
예시전자
양공
이온
유형
금속자유 전자
반도체전자
양공
전해질이온
기체이온과 전자
전기 전도
역할전기장 내에서 이동하여 전류를 형성
이동 메커니즘전하 운반체의 이동에 의해 발생
관련 개념전류 밀도
드리프트 속도
기타
참고 자료에너지 교육 - 전하 운반체
The Great Soviet Encyclopedia 3rd Edition - 전하 운반체
전류의 미시적 관점

2. 도체에서의 전하 운반체

도체 매질에서 전하를 운반하는 입자는 여러 종류가 있다. 금속에서는 주로 전자가 전하를 운반하며, 이 전자들은 금속의 결정 구조 내에서 자유롭게 이동할 수 있는 자유 전자이다.[4] 전해질의 경우, 소금물과 같이 이온이 전하 운반체 역할을 한다. 플라스마 상태에서는 이온화된 기체의 전자와 양이온이, 진공에서는 자유 전자가 전하를 운반한다.[8][9]

반도체는 트랜지스터와 집적 회로 같은 전자 부품에 사용되는 재료로, 두 가지 유형의 전하 운반체가 가능하다. p형 반도체에서는 양전하를 띤 유효 입자인 정공이 결정 격자를 통해 이동한다. n형 반도체에서는 전도대의 전자가 결정을 통해 이동하여 전류를 생성한다.

일부 도체에서는 양전하와 음전하 운반체가 공존하여 전류가 두 가지 유형의 운반체가 반대 방향으로 이동하는 것으로 구성된다. 금속과 같은 다른 도체에서는 한 가지 극성의 전하 운반체만 있으므로, 그 안의 전류는 단순히 한 방향으로 이동하는 전하 운반체로 구성된다.

2. 1. 금속

도체 매질에서는 입자가 전하를 운반하는 역할을 한다. 많은 금속의 경우, 전하 운반체는 전자이다. 각 원자의 원자가전자 중 하나 또는 두 개가 금속의 결정 구조 내에서 자유롭게 이동할 수 있다.[4] 이러한 자유 전자는 전도 전자라고 하며, 자유 전자의 구름은 페르미 기체라고 한다.[5] 많은 금속은 전자와 정공대를 가지고 있다. 어떤 금속에서는 다수 캐리어가 정공이다.

2. 2. 전해질

전해질에서, 예를 들어 소금물의 전하 운반체는 이온이다. 이온은 전자를 얻거나 잃어 전기적으로 하전된 원자 또는 분자이다. 전자를 얻어 음전하를 띠는 원자를 음이온, 전자를 잃어 양전하를 띠는 원자를 양이온이라고 한다.[6] 해리된 액체의 양이온과 음이온은 용융된 이온 고체에서도 전하 운반체 역할을 한다. (예: 용융된 이온 고체의 전기 분해, 홀-에루 전해법 참조) 양성자 전도체는 양성자(수소 이온)를 운반체로 사용하는 전해질 전도체이다.[7]

2. 3. 플라스마

플라스마는 공기 중의 전기 아크, 네온 사인, 태양과 별에서 발견되는 전기적으로 하전된 기체인데, 이온화된 기체의 전자와 양이온이 전하 운반체 역할을 한다.[8]

2. 4. 진공

진공에서는 자유 전자가 전하 운반체 역할을 할 수 있다. 진공관에서는 열전자 방출이라는 과정을 통해 생성된 이동성 전자 구름이 전하를 운반한다.[9] 전기장이 전자를 빔으로 끌어당길 만큼 충분히 강하면 음극선이 되며, 이는 2000년대까지 텔레비전과 컴퓨터 모니터에 널리 사용된 브라운관 디스플레이의 기반이 된다.[10]

3. 반도체에서의 전하 운반체

반도체는 전자와 정공 두 가지 유형의 전하 운반체를 가진다. 전자는 음의 전하를 띠고, 정공은 원자가띠 전자 집단에서 이동하는 빈자리로, 전자의 크기와 같은 양의 전하를 띤다.[11]

자유 캐리어 농도는 도펀트(불순물)를 첨가한 반도체에서 자유 캐리어의 농도를 의미하며, 금속에서의 캐리어 농도와 유사하게 전류나 유동 속도 계산에 사용될 수 있다. 자유 캐리어는 전자 또는 정공이며, 도핑에 의해 전도띠에 직접 도입되는 것으로, 열을 가해도 증가하는 것이 아니다.

3. 1. 전하 생성과 재결합

전자가 정공과 만나면, 이들은 재결합하고 이러한 자유 전하 운반자는 사실상 사라진다.[12] 방출되는 에너지는 반도체를 가열하는 열에너지(''열 재결합'', 반도체에서 폐열의 원인 중 하나)이거나 광자로 방출될 수 있다(''광 재결합'', LED 및 반도체 레이저에 사용됨).[13] 재결합은 원자가 띠에서 전도띠로 여기된 전자가 원자가띠의 빈 상태, 즉 정공으로 되돌아가는 것을 의미한다. 정공은 전자가 에너지 갭을 통과할 에너지를 얻은 후 여기될 때 원자가띠에 생성되는 빈 상태이다.

자유 캐리어 농도는 도펀트를 첨가한 반도체에서 자유 캐리어의 농도이다. 금속에서의 캐리어 농도와 유사하며, 전류나 유동 속도의 계산에서는 같은 것으로 취급할 수 있다. 자유 캐리어는 전자 또는 정공이며, 도핑에 의해 전도띠에 직접 도입되는 것으로, 열을 가해도 증가하는 것이 아니다. 따라서 전자(또는 정공)가 이동해도 뒤에 정공(또는 전자)이 자유 캐리어로 남는 것은 아니다.

3. 2. 다수 캐리어와 소수 캐리어

n형 반도체에서 다수 캐리어는 전자이고, p형 반도체에서는 정공이다. 소수 캐리어는 n형 반도체에서 정공이고, p형 반도체에서는 전자이다.[14]

진성 반도체는 불순물이 없어 전자와 정공, 두 종류의 캐리어 농도가 같다. 진성 반도체에 도너 불순물을 도핑하면 다수 캐리어는 전자가 되고, 억셉터 불순물을 도핑하면 다수 캐리어는 정공이 된다.[15]

소수 캐리어는 바이폴라 접합 트랜지스터와 태양 전지에서 중요한 역할을 한다.[16] 전계 효과 트랜지스터(FET)에서 소수 캐리어의 역할은 조금 더 복잡하다. 예를 들어, MOSFET에는 p형 및 n형 영역이 있다. 트랜지스터 동작에는 소스 및 드레인 영역의 다수 캐리어가 포함되지만, 이 캐리어는 반대 유형의 본체를 통과하며, 이곳에서는 소수 캐리어이다. 그러나 통과하는 캐리어는 전달 영역에서 반대 유형보다 훨씬 많기 때문에(인가된 전기장에 의해 반대 유형 캐리어가 제거되어 반전층을 생성한다), 일반적으로 캐리어에 대한 소스 및 드레인 명칭이 채택되며, FET는 "다수 캐리어" 소자라고 한다.[17]

3. 3. 자유 캐리어 농도

자유 전하 캐리어 농도는 도핑된 반도체에서 자유 전하 캐리어의 농도를 의미한다. 이는 금속 내 전하 캐리어 농도와 유사하며, 전류 또는 표동 속도를 계산하는 데 사용될 수 있다.[18] 자유 전하 캐리어는 도핑에 의해 전도띠(전자) 또는 원자가띠(정공)에 도입된 전자(정공)이다. 따라서 이들은 다른 띠에 정공(전자)을 남기지 않으므로 이중 전하 캐리어로 작용하지 않는다. 다시 말해, 전하 캐리어는 전하를 운반하며 자유롭게 이동할 수 있는 입자이다. 도핑된 반도체의 자유 전하 캐리어 농도는 특징적인 온도 의존성을 보인다.[18]

4. 초전도체에서의 전하 운반체

초전도체는 전기 저항이 0이며, 따라서 전류를 무한정으로 운반할 수 있다. 이러한 전도는 쿠퍼쌍의 형성을 통해 가능하며, 현재 초전도 현상은 극저온 냉각을 사용해야만 달성할 수 있다. 아직까지 상온에서 초전도성을 달성하는 것은 어려운 과제이며, 지속적인 연구와 실험 분야이다. 상온에서 작동하는 초전도체를 만드는 것은 중요한 기술적 돌파구가 될 것이며, 전력망의 전력 분배 효율을 훨씬 높이는 데 기여할 수 있다.

5. 양자 상황에서의 전하 운반체

특수한 상황에서는 양전자, 뮤온, 반뮤온, 타우 입자 및 반타우 입자가 전하를 운반할 수도 있다. 이론적으로는 가능하지만, 이러한 하전 입자의 매우 짧은 수명 때문에 현재 기술 수준으로는 이러한 전류를 유지하는 것이 매우 어렵다. 인공적으로 이러한 종류의 전류를 생성하거나, 자연적으로 매우 짧은 시간 동안 발생할 수도 있다.

6. 플라스마에서의 전하 운반체

플라스마는 이온화된 기체로 구성되어 있다. 전하는 플라스마 내에서 전자기장을 형성할 수 있으며, 이는 전류 또는 여러 개의 전류를 형성하게 할 수 있다. 이 현상은 핵융합로에서 이용된다. 또한 우주에서 자연적으로 발생하는데, 하전 입자를 운반하는 제트, 성운풍 또는 우주 필라멘트의 형태를 취한다. 이 우주 현상을 비르켈란드 전류라고 한다. 일반적으로 플라스마의 전기 전도도는 플라스마 물리학의 연구 대상이다.

참조

[1] 웹사이트 Energy Education - Charge carrier https://energyeducat[...] 2021-04-30
[2] 웹사이트 Charge carrier https://encyclopedia[...]
[3] 웹사이트 Microscopic View of Electric Current http://hyperphysics.[...] 2021-04-30
[4] 웹사이트 Conductors and Insulators http://hyperphysics.[...] 2021-04-30
[5] 웹사이트 Conduction electrons in a metal https://farside.ph.u[...] 2021-04-30
[6] 웹사이트 Cation vs Anion: Definition, Chart and the Periodic Table https://www.technolo[...] 2021-04-30
[7] 웹사이트 Lecture 12: Proton Conduction, Stoichiometry https://web.archive.[...] University of Illinois at Urbana–Champaign 2021-04-30
[8] 웹사이트 Plasma conductivity and diffusion https://www.physics.[...] 2021-04-30
[9] 웹사이트 Vacuum Tubes: The World Before Transistors https://www.engineer[...] 2020-04-30
[10] 웹사이트 Cathode Rays Introduction to Chemistry https://courses.lume[...] 2021-04-30
[11] 웹사이트 Intrinsic Semiconductors http://hyperphysics.[...] 2021-05-01
[12] 웹사이트 Carrier recombination and generation https://web.archive.[...] 2021-05-01
[13] 웹사이트 Lecture 4 - Carrier generation and recombination https://ocw.mit.edu/[...] MIT Open CourseWare, Massachusetts Institute of Technology 2021-05-02
[14] 웹사이트 Majority and minority charge carriers https://www.physics-[...] 2021-05-02
[15] 웹사이트 Doped Semiconductors http://hyperphysics.[...] 2021-05-01
[16] 웹사이트 Lecture 21: BJTs https://inst.eecs.be[...] 2021-05-02
[17] 웹사이트 Back to the basics of power MOSFETs https://www.eetimes.[...] EE Times 2021-05-02
[18] 웹사이트 Carrier densities http://truenano.com/[...] 2022-07-28
[19] 웹사이트 Conductors-Insulators-Semiconductors https://www.halbleit[...] 2021-04-30


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