에너지밴드와 음양태극
순수 반도체는 열과 빛에너지를 받더라도 에너지띠의
전자(-)와 양공(+)이 균일하게 움직이므로 전기적인 성질에 영향을 주지 않습니다. 하지만 불순물을 첨가하는 도핑 작업을하게 되면 전기적인
성질이 나타나며, 불순물의 양이 많아지면 전도율이 10억배이상 증가합니다.
도체는 전기전도도가 좋고 열전도도도 좋습니다.
밴드이론(band theory)에서는 원자가띠와 전도띠의 간격으로서 전자가 얼마나 쉽게 에너지를 주고 받는지에 따라 결정되는 물질의 특성을
설명합니다.
<pn접합다이오드의
밴드다이어그램>
고체(여기서 도체)의 경우 전도띠는 전자가 존재하지
않거나 또는 자유전자의 영역이지만, 반도체의 경우에는 양공(+)의 개념이 됩니다. 반도체 자체가 전자(-)와 양공(+)의 많고 적음에 따라
기능이 결정되기 때문에 양공(+)의 역할이 전자(-)만큼 중요합니다(고체의 경우에는 양공의 역할을 무시할 정도).
<그림출처 : 위키백과- moon phase>
전자가 발견될 확률은 페르미에너지(페르미준위)를 기준으로 도체,
반도체, p형반도체, n형반도체, 부도체 등으로 에너지밴드갭(띠틈)의 형태에 따라 달라지기도 하는데, 반도체에서 불순물을 첨가하여 이러한 물질의
성질을 변화시킵니다.
<그림출처 : 띠구조 - 위키백과>
페르미에너지(페르미준위)는 절대영도에서 고체분자의
최외곽전자가 가지는 에너지의 높이 입니다. 고체의 경우 최외곽전자의 전자분포에서 전자를 찾을 수 있는 확률이 1/2이 되는 지점입니다. 반도체의
경우에는 띠뜸이 벌어지면서 전자와 양공을 구분시키며, p형반도체의 경우에는 전자가 많은 원자가띠에 가깝고, n형반도체의 경우에는 양공이 많은
전도띠에 가깝게 형성됩니다. 절연체의 경우에는 페르미준위에 전자가 발견될 확률이 없습니다.
<그림출처 : Molecular orbital theory - 위키백과>
입자들이 결합할때 참여전자의 스핀상태가 서로 달라야
HOMO결합이 됩니다.
<그림출처 : Frontier molecular orbital theory - 위키백과>
HOMO(highest occupied
molecular orbital)와 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)는 분자들이 결합할때 에너지가 낮은
원자가띠와 에너가 높은 전도띠로 비유됩니다. 파이결합에서 HOMO는 에너지가 적게 소모되는 안정한 결합을 의미합니다. 보통 유기반도체와 그래핀
그리고 양자점의 원리를 설명할때도 사용됩니다.
<관련자료 : http://www.nature.com/nmat/journal/v13/n3/fig_tab/nmat3816_F1.html>
같은 화합물이라도 크기에 따라 에너지밴드영역과 이에따른
가시광선의 파장이 다릅니다. 특히 양자점은 반도체화합물로서 크기가 작아질수록 파장이 짧은 빛을 냅니다. 이때 진동수가 빨라지고 에너지의 세기도
커집니다.
18족은 원자반지름을 정확히 측정할 수
없습니다(원자반지름 자체가 원소들이 결합한 상태에서 측정이 가능하기 때문). 18족원소들은 자기장에 반응하지않으므로 자기모멘트가
없고(완전상쇄됨, 헬륨과 네온등은 자기모멘트값이 0), 전하가 없고 색도 없습니다. 따라서 크기에 영향을 받지 않습니다. 비활성기체들이 결합하지
않는 홑원소상태라면 에너지밴드 역시 결정할 수 없습니다.
원소들은 주기(period)를 가지고 있으므로
에너지밴드(Energy band) 역시 순환사이클입니다. 에너지밴드는 도체, 반도체, 절연체 등의 물리적 특성을 결정하는 지표로서 사용되기도
하는데, 이것도 일종의 물질의 동양학적 음(陰,-)과 양(陽,+)의 체질(體質)이라고 할 수 있습니다.