18.6 원자 결합 및 에너지 밴드 모델에 의한 전도

• 자유 전자(free electron): 페르미 에너지보다 높은 에너지 준위에 있는 전자, 전기 전도에 참여하는 전자
• 정공(hole): 반도체 또는 부도체에 존재하는 다른 전하, 페르미 에너지보다 낮은 준위를 가지는 전자가 전기 전도에 참여

구분	전기 전도에 참여하는 경우
전자	E > Ef
정공	E < Ef

금속

• 금속에는 페르미 에너지에 근접한 비어있는 에너지 준위가 있다.
• 페르미 에너지에 근접한 빈 에너지 준위로 전자가 점프하는 데는 아주 작은 에너지만 있으면 된다.
• 일반적으로 금속은 외부 전기장에 의한 에너지만으로 많은 전하를 전도 상태의 준위로 들뜨게 할 수 있다.

2.6절에서 금속 모델의 모든 가전자는 자유롭게 움직일 수 있으며, 전자 가스(electron gas)를 형성하여 이온으로 구성된 격자 전반에 걸쳐 고르게 분포된다고 가정하였다. 금속에선 전자가 지역적으로 결합되어 있지는 않지만, 이 전자들이 전도성 전자로 바뀌기 위해서는 약간의 여기(들뜸, excitation)가 필요하다 금속에서 들뜬 전자는 일부이지만, 다른 재료에 비해서는 상당히 많은 자유 전자가 생성되어 높은 전도율을 나타낸다.

부도체와 반도체

• 부도체와 반도체에는 전자로 완전히 채워진 가전자대의 꼭대기에 근접한 비어있는 에너지 준위가 존재하지 않는다.
• 가전자대에 있는 전자가 자유전자가 되기 위해 전자는 에너지 밴드 갭을 뛰어넘어야 한다.
• 갭을 뛰어넘기 위해 밴드 갭 에너지(E_g)에 준하는 에너지가 요구된다. 이러한 에너지는 몇 eV이기 때문에, 대부분 여기 에너지(excitation energy)는 비전기적 원천, 즉 열 에너지 또는 빛 에너지 등이 해당한다.
• 대체로 열에너지에 의해 여기 에너지를 공급받는다.

2.6절에서 원자 모델의 원자 간 결합은 이온 결합 또는 강한 공유 결합으로 이루어진다. 그러므로 가전자들이 개개의 원자에 강력하게 결합되어 있거나 공유되어 있다. 즉, 금속과 달리 전자들의 움직임이 제한되어 있다.

부도체

• 밴드 갭이 매우 넓어 전자의 여기가 거의 일어나지 않는다.

반도체

• 부도체보다 밴드 갭이 좁아 비교적 전자의 여기가 잘 일어난다.
• 주로 공유 결합이 압도적이어서 열적 여기(thermal excitaion)에 의해 쉽게 유리된다.