결정체의 에너지 밴드

닐스 보어의 원자 구조 이론에 따르면 모든 원자는 중심 핵 주변에 이산적인 에너지 수준을 가진다 (더 많은 내용은 “원자 에너지 수준” 기사에서 확인할 수 있다). 이제 두 개 이상의 이러한 원자가 서로 가까이 위치하는 경우를 고려해보자. 이 경우, 그들의 이산적인 에너지 수준 구조는 에너지 대역 구조로 변형된다. 즉, 이산적인 에너지 수준 대신 이산적인 에너지 대역을 찾을 수 있다. 이러한 결정체의 에너지 대역 형성의 원인은 원자 간 상호 작용으로, 이것은 그들 사이에 작용하는 전자기력의 결과이다.
그림 1은 이러한 에너지 대역의 일반적인 배열을 보여준다. 여기서 에너지 대역 1은 단일 원자의 에너지 수준 E1과 유사하게 생각할 수 있으며, 에너지 대역 2는 수준 E2와 같다고 생각할 수 있다.

이는 상호 작용하는 원자의 핵 근처에 있는 전자는 에너지 대역 1을 구성하고, 해당 외부 궤도의 전자는 더 높은 에너지 대역을 형성한다는 것과 동등하다.

실제로 각각의 이러한 대역은 매우 밀접하게 배치된 여러 에너지 수준으로 구성된다.

그림에서 알 수 있듯이 특정 에너지 대역에 나타나는 에너지 수준의 수는 고려되는 에너지 대역이 증가함에 따라 증가한다. 즉, 세 번째 에너지 대역은 두 번째보다 넓고, 두 번째는 첫 번째보다 넓다. 다음으로, 이러한 각 대역 사이의 공간은 금지 대역 또는 대역 간격(그림 1)이라고 한다. 또한 결정 내의 모든 전자는 어떤 하나의 에너지 대역에 있어야 한다. 이는 전자가 에너지 대역 간격 영역에 존재하지 않는다는 것을 의미한다.

에너지 대역의 종류

결정체의 에너지 대역은 다양한 종류가 있을 수 있다. 일부는 완전히 비어있기 때문에 공백 에너지 대역이라고 불리며, 다른 일부는 완전히 채워져 있고 따라서 채워진 에너지 대역이라고 명명된다. 일반적으로, 채워진 에너지 대역은 원자의 핵에 가까운 낮은 에너지 수준이며 자유 전자를 가지고 있지 않아 전도에 사용될 수 없다. 또한 공백과 채워진 에너지 대역을 결합한 혼합 에너지 대역도 존재한다.
그러나 전자공학 분야에서는 특히 전도 메커니즘에 관심이 있다. 결과적으로, 여기서 두 가지 에너지 대역이 극도로 중요해진다. 이들은

발렌스 대역

이 에너지 대역은 발렌스 전자(원자의 가장 바깥 궤도의 전자)로 구성되며, 완전히 또는 부분적으로 채워질 수 있다. 실온에서 이는 전자를 포함하는 가장 높은 에너지 대역이다.

전도 대역

실온에서 전자가 주로 차지하지 않는 가장 낮은 에너지 대역을 전도 대역이라고 한다. 이 에너지 대역은 원자의 핵의 인력에서 자유로운 전자를 포함한다.
일반적으로, 발렌스 대역은 전도 대역보다 낮은 에너지를 가지며, 에너지 대역 도표(그림 2)에서 전도 대역 아래에 위치한다. 발렌스 대역의 전자는 원자의 핵에 약하게 결합되어 있으며, 재료가 자극받을 때(예: 열적으로) 전도 대역으로 이동한다.

에너지 대역의 중요성

재료를 통해 전도가 이루어지는 것은 재료 내의 자유 전자들에 의해만 가능하다는 사실은 에너지 대역 이론으로 다시 표현하면 "전도 대역에 있는 전자들만 전도 메커니즘에 기여한다"라는 의미이다. 결과적으로, 에너지 대역 도표를 살펴봄으로써 재료를 다양한 범주로 분류할 수 있다.
예를 들어, 에너지 대역 도표가 발렌스 대역과 전도 대역 사이에 상당한 중첩을 보이는 경우(그림 3a), 이는 재료가 풍부한 자유 전자를 가지고 있다는 것을 의미하며, 이를 통해 좋은 전도체 즉, 금속이라고 간주할 수 있다.

반면에, 발렌스 대역과 전도 대역 사이에 큰 간격이 있는 에너지 대역 도표(그림 3b)가 있는 경우, 이는 재료가 채워진 전도 대역을 얻기 위해 많은 에너지를 제공해야 함을 의미한다. 때때로 이는 어려울 수도 있고, 실제로 불가능할 수도 있다. 이렇게 되면 전도 대역은 전자 없이 남게 되어 재료는 전도되지 못한다. 따라서 이러한 종류의 재료는 절연체가 된다.
이제, 발렌스 대역과 전도 대역 사이에 약간의 간격이 있는 재료(그림 3c)를 가정해보자. 이 경우, 약간의 에너지를 제공하여 발렌스 대역의 전자가 전도 대역을 차지하도록 만들 수 있다. 이는 이러한 재료가 일반적으로 절연체이지만, 외부적으로 자극하면 전도체로 작동할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 재료는 반도체라고 부른다.

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