반도체(半導體, 영어: semiconductor) - 도체(전도체)와 부도체(절연체)의 중간 성질 물체

[석수]

반도체(半導體, 영어: semiconductor)는 상온에서 전기 전도율이 구리 같은 도체(전도체)와 애자, 유리 같은 부도체(절연체)의 중간 정도인 물질이다.

가득찬 원자가띠와 비어있는 전도띠를 보여주는 반도체의 띠구조. 


반도체란 절대 영도에서 가장 위의 원자가 띠가 완전히 차 있는 고체이다.

즉 전자의 페르미 에너지가 금지된 띠틈에 있는 것을 말한다. (절대 영도에서 전자 상태가 어느 수준까지만 차 있게 되는데, 이를 페르미 에너지라고 한다.)

페르미 준위는 금지된 띠틈 (전도띠와 원자가띠 사이) 에 있다.

실온에서는 전자 분포가 조금 흐트러지는 현상이 발생한다. 물론 조금이긴 하지만, 무시할 수 없는 만큼의 전자가 에너지 띠간격을 넘어서 전도띠로 간다. 전도띠로 갈만큼 충분한 에너지를 가지고 있는 전자는 이웃하고 있는 원자와 공유결합을 끊고, 자유롭게 이동할 수 있는 상태가 돼서 전하가 전도한다. 이렇게 전자가 뛰쳐나온 공유결합은 전자가 부족해지게 된다.(또는 자유롭게 이동할 수 있는 양공이 생겼다고도 볼 수 있다.


양공은 사실 그 자체가 움직이는 것은 아니지만, 주변의 전자가 움직여서 그 양공을 메우면 양공이 그 전자가 있던 자리로 옮겨간 것처럼 보인다.


도체와 반도체의 중요한 차이점은, 반도체에서는 전류가 흐르는 경우 전자와 양공이 모두 이동한다는 것이다. 이와 달리 금속은 페르미 준위가 전도띠 안에 있기 때문에 그 전도띠는 일부만 전자로 채워진다.


이 경우에는 전자가 다른 비어있는 상태로 이동하기 위해 필요한 에너지가 적고, 그래서 전류가 잘 흐른다.
반도체의 전자가 가전자대에서 전도띠로 얼마나 쉽게 이동하는지는 그 띠 사이의 띠틈에 달려있다.

그리고 이 에너지 띠틈의 크기가 반도체와 부도체를 나누는 기준이 된다. 보통 띠틈이 2 eV 이하인 물질은 반도체로 간주하고, 이보다 큰 경우에는 부도체로 간주한다.


물질에서 전류를 흐르게 하는 전자는 보통 그냥 "전자"라고 하지만, 정식 명칭은 "자유전자"이다. 가전자대의 양공은 마치 전자에 대응되는 양전하 입자와 같은 성질을 띤다. 그래서 보통 양공을 실제로 대전된 입자로 간주한다.