[전자의 개요]

모든 물질은 분자 또는 원자의 결합으로 되어 있고 이들 원자는 양전하를 가진 원자핵과 음전하를 가진 전자로 구성되어

있으며 원자핵의 구조나 전자의 수에 따라 서로다른 원자가 된다.그리고 원자의 모형은 아래 그림과 같이 마치 태양 주위

를 행성들이 돌고 있는 것과 비슷하며 원자의 대부분의 질량을 차지하는 원자핵을 중심으로 정해진 수의 전자가 지정된

궤도에서 돌고 있다.


1.원자와 전자

수소 헬륨 리튬 나트륨

위 그림은 아연 원자에 대한 구조를 나타낸 것이다. 30개의 전자들은 무리를 지어 일정한 궤도를 따라 원자핵 주위를 돌고

있다. 아연의 경우 N각에 전자가 2개 있는데 이와 같이 원자핵 주위를 돌고 있는 전자 중에서 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있

는 전자를 최외각 전자라 한다.최외각 전자는 원자핵으로부터의 구속력이 가장 약해,외부로부터 에너지가 주어지면 이 에

너지를 흡수하여 원자핵의 구속으로부터 이탈하므로 자유로운 운동을 할수 있게 된다.이와 같은 전자를 자유전자라 한다.

2.고체 내의 전자 운동

(가) 전자의 이동과 전류

금속 내부에서는 전도 전자가 금속 양이온의 사이를 자유로이 운동하고 있다.

이런 상태의 금속에 전지 등을 사용하여 전기장을 가하면 양극을 향해서 전도

전자의 이동이 일어나며, 그 결과 전류가 흐르게 된다. 즉,전도 전자의 이동에

의해 전류가 흐르게 되는 것이다.

좌측 그림에서 (+)와 (-)의 전위차는 전자의 이동 속도와 비례 관계가 있어 전

위차가 많이 날수록 전류가 증가하게 된다.그러므로 옴의 법칙이 성립함을 알

수 있다.

(나) 반도체 내의 전자 움직임

좌측 그림은 실리콘의 결정 모양을 나타낸 것이다. 실리콘 원자는 화학적으로 안정되기 위해서 가전자대에 8개의 전자를 필요로 하는데 4개 밖에 갖고 있지 않다. 따라서 다른 원자와의 공유결합에 의해서 안정화되려고 하는 노력을 하게 된다. 이와 같이, 실리콘 이외의 다른 물질의 혼입이없고 안정된 상태에 있는 반도체를 진성 반도체라 한다. 대표적인 진성 반도체에는 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 있다.
외부로부터 가해진 에너지에 의해 실리콘 원자의 전자는 공유결합에서 벗어나 자유 전자가 되며 자유전자가 결정 내를 이동한다. 동시에 전자가떠난 자리의 구멍도 마치 +전하를 가진 입자와 같이 결정 내를 이동한다. 이 전자가 나간구멍의 이동은 실제로는,근처의 실리콘 원자의 공유결합 전자가 빈 구멍으로 뛰어들어서 그 근처의 실리콘 원자로 구멍이 이동하는 방법으로 일어난다.

이런 식으로,이 구멍은 원자에서 원자로 계속이동한다. 이 빈 구멍은 전자가 없어진 자리이므로 +전하를 가진 입자가 이동하

고 있는 것처럼 보이기 때문에 정공(hole)이라 한다.

따라서, 반도체에 전류가 흐르는 것은 정공과 자유 전자의 두 종류에 의해서 이루어지게 된다. 여기서,이 정공과 자유 전자

를 전하의 운반체라는 뜻으로 반송자라 한다.

(다) 반도체의 종류

반도체에는 진성 반도체와 불순물 반도체가 있다.불순물 반도체는 진성 반도체에 소량의 불순물 즉 3가 또는 5가의 원자를

혼합하여 만들어지게 되는데 이를 각각 p형 반도체와 n형 반도체라 하고 이들은 진성 반도체보다 도전성이 높다.

① n형 반도체

진성 반도체에 가전자가 5개인 5가의 안티몬(Sb)을 혼합하면 아래 그림과 같이 안티몬 원자는 4개의 실리콘 원자와 공유

결합을 할 수 있으나 한개의 전자가 남게 된다. 이것을 과잉전자라 한다. 공유결합에 의해 가전자 궤도는 8개의 전자만을

포함할 수 있기 때문에 과잉전자 한 개는 아래그림의 에너지대에서와 같이 전도대에서 운동하지 않으면 안된다.

여기서 불순물에 의해서 생성된 전도대의 전자의 수는 많으나, 햇빛 등의 열에너지에 의해서 생성된 정공은 몇 개에 불과

하다. 이와같이 반송자의 대부분이 전자인 반도체를 n형 반도체라 하고 전자를 다수 반송자, 정공을소수 반송자라 한다.

그리고 n형 반도체를 만드는 불순물을 전도대에 전자를 준다는 의미에서 도너(doner)라고 한다


② p형 반도체

진성 반도체에 가전자가 3개인 3가의 갈륨(Ga)을 혼합하면 아래 그림과 같이 갈륨 원자는 인접한 원자와 공유결합을 할때

한 개의 전자가 부족하게 되고, 이 전자가 빈 공간에 정공이 생기게 된다. 그러므로 아래 그림과 같이 가전자대에는 많은

수의 정공이 생기게 되고 오직 열에너지에의해서 생성된 몇 개의 전자만이 전도대에 있게 된다. 이와 같이 반송자의 대부

분이 정공인 반도체를 p형 반도체라 하고,정공을 다수 반송자,전자를 소수 반송자라 한다. 그리고 p형 반도체를 만드는 불

순물을 정공이 재결합을 하기 위해서는 전자를 받아들일 수 있다는 의미에서 억셉터라고 한다