도체, 반도체, 절연체의 특성 비교

전기적 특성이란 관점에서 보면 물질은 도체, 반도체, 절연체의 세 가지 그룹으로 분류한다. 반도체, 도체, 절연체의 특성을 비교해보겠다.

▶ 도체 (이온화가 잘 되는 것)

도체(conductor)는 쉽게 전류가 흐르는 물질이다. 가장 좋은 도체는 구리, 은, 금, 알루미늄과 같은 단일 원소 물질로서, 이것들은 원자에 매우 약하게 속박된 오직 한 개의 가전자만을 갖는 원자 구조에 도체 특성을 갖는다. 이렇게 약하게 속박된 가전자들은 원자들로부터 쉽게 떨어져나가 자유전자가 된다. 따라서 도전성 물질은 많은 자유전자를 가지며, 이들 자유전자가 같은 방향으로 움직일 때 전류가 형성된다.

▶ 절연체 (=부도체, 이온화가 잘 안되는 원자)

절연체(insulation)는 정상적인 조건하에서 전류가 흐르지 못하는 물질이다. 가장 좋은 절연체는 단일 원소 물질보다는 복합 물질이다. 이들 물질은 가전자들이 원자에 강하게 속박되어 있으므로 절연체 내에 자유전자가 거의 없다.

▶ 반도체 (4개의 가전자를 가지는 특성)

반도체(semiconductor)는 전류를 흘릴 수 있는 능력 측면에서 보면 절연체와 도체 사이의 물질이다. 순수(진성) 상태의 반도체는 완전 도체도 완전 절연체도 아니다. 가장 보편적인 단일 원소로 구성된 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 탄소(C) 등이 있다. 갈륨비소(GaAs)와 같은 화합물 반도체도 많이 사용된다. 단일 원소로 구성된 반도체들은 네 개의 가전자를 가진 원자를 가지고 있다.

▶ 에너지대

원자의 가전자 각은 에너지 준위가 모인 대(=band) 형태로 구성된다는 것을 앞에서 언급했고, 가전자는 그 대(=band) 단위만 존재한다. 만일 전자들이 외부 에너지원으로부터 충분한 에너지를 얻으면 전자들은 가전자 각(shell)을 떠나 자유전자가 되면 전도대(conductionband)라고 하는 곳에 존재하게 된다.

가저자대와 전도대 사이의 에너지 차를 에너지 갭이라 하며, 이것은 가전자가 가전자대에서 전도대로 튀어 올라가기 위해 필요로되는 에너지량이다. 일단 전도대에 들어간 전자는 물질 내에서 자유롭게 움직이고 어떤 원자에도 속박되지 않는다.

절연체, 반도체, 도체의 에너지 다이어그램이다. 절연체는 매우 넓은 에너지 갭을 가지고 있다. 이 경우 물질에 극단적으로 고전압이 가해져 형성되는 항복(breakdown) 상태를 제외하고는 가전자대의 가전자가 전도대로 뛰어 넘지 못한다. 반도체는 아주 좁은 에너지 갭을 갖고 있다. 반대로 도체의 에너지 대는 서로 겹쳐 있기 때문에 도전성 물질에서 자유전자의 수는 항상 많다.

▶ 반도체 원자와 도체 원자의 비교

실리콘은 반도체이고, 구리는 도체이다. 실리콘 원자의 코어는 순전하 +4(14개 양자, -10개 전자), 구리 원자의 코어는 순전하 +1(29개 양자, -28개 전자)이다. 구리 원자 내의 가전자들에게 +1의 인력이 작용하는데 반해 실리콘 원자 내의 가전자들에게는 +4의 인력이 작용하므로 실리콘 원자보다 구리 원자가 가전자를 속박하려는 힘이 네 배가 더 세다. 또 구리의 가전자는 네번째 각에 있으므로 세번째 각에 있는 실리콘 가전자보다 핵으로부터 월씬 멀리 떨어져 있다. 핵으로부터 멀리 떨어진 전자일수록 더 큰 에너지를 갖는다. 그러므로 구리의 가전자는 실리콘의 가전자보다 원자에 묶이는 힘이 훨씬 작다. 또 구리의 가전자는 실리콘의 가전자보다 더 큰 에너지를 갖는다. 이 결과로 미루어 보아 외부로부터 충분한 에너지가 가해지는 경우 구리의 가전자가 실리콘의 가전자보다 원자의 속박에서 벗어나 전도대의 자유전자가 되는 것이 훨씬 쉽다는 것을 알 수 있다. 실제로는 구리의 가전자대와 전도대가 겹쳤기 때무에 구리 가전자대의 상당수의 가전자는 이미 충분한 에너지를 얻어 자유전자가 되어 있다.

▶ 실리콘과 게르마늄

실리콘(silicon)은 다이오드, 트랜지스터, 집적회로(IC), 그 밖의 반도체 소자에 가장 널리 사용되는 물질이다.

실리콘의 가전자가 핵에 더 가까운 세번째 각에 있는 반면 게르마늄 내 가전자들은 네번째 각에 있다. 이것은 게르마늄의 가전자들이 실리콘의 가전자들보다 훨씬 높은 에너지 준위 상태가 있음을 의미하고 따라서 게르마늄의 가전자가 원자의 속박에서 벗어나기 위한 에너지는 실리콘보다 작다. 이 특성은 고온에서 게르마늄을 실리콘보다 훨씬 불안정하게 만들며, 게르마늄보다 실리콘이 반도체 물질로 더 널리 사용되는 이유가 여기에 있다.

그럼 이만~~~