본문내용
1. 반도체
1.1. 도체, 부도체 그리고 반도체
도체, 부도체 그리고 반도체는 전기적 성질에 따라 구분되는 재료들이다. 도체는 전기가 잘 통하는 물체로, 대부분의 금속이 이에 해당한다. 이들은 자유전자에 의해 전기가 전달되며, 온도가 올라가면 저항이 증가하게 된다. 반면 부도체는 전기가 잘 통하지 않는 물질로, 자유전자가 없거나 강하게 속박되어 있어 전기를 전달하지 못한다. 부도체에는 대표적으로 다이아몬드와 같은 물질이 포함된다.
반도체는 도체와 부도체의 중간적인 성질을 가지는데, 온도에 따라 성질이 변화한다는 특징이 있다. 상온에서는 부도체에 가까운 성질을 가지지만, 온도가 올라가면 오히려 도전율이 증가하게 된다. 이는 반도체 내부의 에너지 밴드 구조와 관련되어 있는데, 반도체에는 가전자대와 전도대 사이에 에너지 갭이 존재하며, 이 갭을 전자가 넘어갈 수 있는 여부에 따라 전기적 성질이 달라진다. 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 대표적인 원소 반도체이며, 이 외에도 화합물 반도체가 존재한다.
반도체의 이러한 독특한 성질 때문에 다양한 반도체 소자들이 개발되어 왔으며, 전자 및 정보 기기의 발전에 큰 기여를 해왔다고 볼 수 있다.
1.2. 에너지 밴드의 구조
모든 재료는 에너지 밴드 구조를 가지고 있다. 에너지 밴드란 원자 내 전자들이 특정한 에너지 준위를 가지고 있지만, 원자들의 결합으로 인해 결정격자를 이루게 되면 전자의 에너지 준위가 분해되어 준연속적인 에너지 밴드를 형성하게 된다. 이에 따라 한 원자에 묶여있던 외부전자가 다른 원자들로부터 자유롭게 움직일 수 있게 된다.
고체의 전기적 성질은 이러한 에너지 밴드 구조와 밀접한 관련이 있다. 도체의 경우 전자가 밸런스 밴드와 전도 밴드 사이를 자유롭게 이동할 수 있도록 밴드 간 간격이 작으며, 금속에서는 밴드 간 간격이 전혀 없다. 반면 부도체에서는 상단의 비어있는 전도 밴드와 하단의 완전히 채워진 밸런스 밴드 사이의 에너지 간격인 에너지 갭이 매우 크기 때문에 전자가 이를 넘어가기 어렵다. 그리고 반도체는 도체와 부도체의 중간 정도의 에너지 갭을 가지고 있어 외부 요인에 의해 전자가 전도 밴드로 여기될 수 있다.
이와 같이 고체 재료의 에너지 밴드 구조에 따라 도체, 반도체, 부도체로 구분되며, 이는 고체의 전기적 성질을 결정짓는 가장 중요한 요인이 된다. 따라서 고체 재료의 전기적 특성을 이해하기 위해서는 에너지 밴드 구조에 대한 이해가 필수적이라고 할 수 있다.
1.3. 순수 반도체와 불순물 반도체
순수 반도체란 실리콘 반도체에서는 실리콘 원자로만, 게르마늄 반도체에서는 게르마늄 원자로만 구성된 반도체를 말한다. 이러한 반도체에 불순물(다른 원소)을 넣을 경우 불순물의 농도가 아주 작다고 할지라도 이 불순물 반도체는 순수한 반도체에 비해 전기적 성질이 완전히 달라지게 된다.
예를 들어, 1억개의 게르마늄 원자 속에 한 개 이상의 불순물 원자가 들어가 있다면 순수 반도체라고 할 수 없지만, 100억개의 실리콘 원자 내에 1개 이하의 불순물이 들어가 있는 경우는 순수한 반도체라고 할 수 있다. 하지만 대부분의 반도체 응용은 불순물이 들어있는 반도체를 사용하게 된다.
불순물을 일부러 넣어 원하는 전기적 성질을 가지게 만드는 것을 도핑이라고 한다. 불순물로서 사용되는 것은 주기율표의 3족 원소(p형 불순물)나 5족 원소(n형 불순물)이며, 어떤 불순물을 넣었는지에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉜다. p형 불순물로는 B(boron), Ga(gallium), In(indium)과 같은 3족 원소가 쓰이며 정공의 수를 높이는 역할을 한다. n형 불순물로는 Sb(antimony), P(phosphorus), As(arsenic)과 같은 5족 원소가 널리 쓰이며 자유전자수를 높여 도전성을 높이는 역할을 한다.
따라서 불순물을 첨가하여 만든 반도체가 순수 반도체에 비해 전기적 성질이 훨씬 더 우수하기 때문에, 대부분의 실용적인 반도체 소자에는 불순물이 첨가된 반도체가 사용된다고 볼 수 있다.
2. 초전도체
2.1. 초전도체
초전도체는 일정한 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 특성을 가진 물질이다. 1911년 네덜란드의 Onnes가 극저온에서 수은의 이러한 초전도 현상을 발견한 이후, 많은 과학자들이 초전도체의 임계온도를 높이기 위해 연구를 계속해왔다. 현재 약 절대온도 120K 정도에서 초전도를 나타내는 재료가 있다.
초전도체는 전기 저항이 0인 것 이외에도 자기적으로 중요한 성질을 가지고 있는데, 순수한 금속원소와 합금 및 산화물...
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