반도체 물질 관련해서 규소원자 뜻을 한번 알아봅시다.
규소 원자의 결합이 반도체를 만드는 데 어떠한 역할을 하는지 알아보겠습니다.
원자는 세상 만물을 구성하는 기본단위 입니다. 모든 원자에는 주변에 1개 이상의 궤도가 있습니다.
궤도란 쉽게 말해 전자가 운동할 수 있는 에너지 길을 말합니다.
어떤 원자는 1개의 궤도만을 가지고 있기도 하고, 어떤 원자는 여러 개의 궤도를 가지고 있기도 합니다.
반도체 물질 뜻
예를 들어 수소는 1개의 궤도를 가지고 있고, 산소는 2개의 궤도를 가지고 있습니다.
그리고 각 궤도에는 들어갈 수 있는 전자의 수가 정해져 있습니다.
궤도의 수가 1개이든 여러개이든 그 수에 상관없이 그중에서 가장 바깥쪽에 위치하고 있는 궤도를 최외각 궤도라고 합니다.
그리고 최외각 궤도에서 운동하고 있는 전자를 가전자라고 합니다.
가전자의 수 또한 원자마다 다릅니다.
예를들어 수소는 1개의 가전자를 가지고 있고, 산소는 6개의 가전자를 가지고 있습니다.
가전자는 원자와 원자가 서로 결합할 수 있도록 손역할을 합니다.
다른 원자의 가전자와 손을 잡아 결합하는 것입니다.
하지만 원자들도 우리와 마찬가지로 아무하고나 손을 잡지는 않습니다.
손을 잡고 싶은 원자와는 결합하지만 그렇지 않은 원자와는 결합하지 않는다는 것입니다.
원자들은 결합을 위해 전자를 얻거나 버리는 등의 과정에서 에너지를 필요로 합니다.
그래서 에너지를 갖지 않는 전자는 다른 원자와 결합을 할 수 없습니다.
궤도운동을 하고 있는 전자를 떼어 내기 위해서는 원자핵이 전자를 끌어당기는 힘보다 더 큰 힘, 더 큰 에너지를 원자에 가해야 합니다.
더 큰 에너지로 인해 가전자가 원자핵으로부터 떨어지면 비로소 자유전자가 됩니다.
자유전자란?
반도체에서는 위와 같은 원리로 자유전자가 생성 됩니다.
이 그림에서, 벽을 넘어 밖으로 나가기 위해서는 3단에 있는 사람이 가장 유리합니다.
방의 제일 윗부분과 가까운 3단에 있는 사람이 가장 먼저 밖으로 나갈 수 있습니다.
마찬가지로 원자에도 원자핵 주위에 1단,2단,3단의 궤도가 있고, 각 궤도에 전자들이 배열되어 있습니다.
그중에서 3단, 즉 가장 바깥쪽에 있는 전자가 외부로 탈출하기가 가장 쉽습니다.
원자핵과 거리가 가장 가까운 1단에 있는 전자는 원자핵이 강한 힘으로 끌어당기고 있기 때문에 탈출하기가 매우 어렵습니다.
그만큼 1단에 있는 전자를 떼어내기 위해 큰 에너지가 필요합니다.
이와같이 각 단의 전자들을 떼어 내는 데 필요한 특정 에너지 값을 에너지 준위라고 합니다.
그런데 원자들의 거리가 매우 가까운 고체 결정의 경우 원자들의 상호작용으로 여러개의 에너지 준위가모여, 어떤 폭을 갖는 구조인, 에너지 띠로 변합니다.
그리고 띠와 띠 사이에는 전자가 가질 수 없는 에너지인 에너지 간격이 존재합니다.
전자가 원자핵 주변에서 궤도 운동을 하고 있는 에너지 띠를 가전자 띠라고 하고, 전자가 있을 수 없는 에너지 띠를 금지띠라고 합니다.
그리고 가전자 띠에 있던 전자가 금지 띠를 넘었을 때 안착하는 곳을 전도 띠라고 합니다.
가전자띠에서 금지띠를 뛰어넘어 전도띠로 날아온 전자가 바로 자유전자입니다.
반도체의 금지띠의 높이는 부도체와 도체의 중간정도여서 어느정도의 에너지를 주면 전기가 흐를 수 있습니다.
원자의 종류
물질은 원자들의 결합으로 이루어져있습니다.
그리고 원자를 이루는 전자의 수에 따라 원자의 종류가 달라집니다.
예를들어 구리원자는 29개의 전자를 가지고 있고, 철원자는 26개, 규소원자는 14개의 전자를 가지고 있습니다.
철원자가 1개 있을 때 우리는 이것을 철물질이라고 하지 않고 철원자라고 합니다.
왜냐하면 철물질이 되기 위해서는 철원자가 1개가 아니라 많은 철 원자들의 결합이 필요하기 때문입니다.
그런데 모든 원자들이 결합하여 물질을 만들 수 있는 것은 아닙니다.
다른 원자와 결합이 잘 되는 원자는 물질이 될 가능성이 높고, 그렇지 못한 원자들은 물질이 되기 어렵습니다.
예를들어 수소는 여러물질들과 결합하여 수 많은 물질들을 만들지만 헬륨은 다른 원자와 결합하지 않고 단원자 상태로 존재합니다.
그리고 같은 종류의 원자끼리 결합하기도 하고 서로 다른 종류의 원자와 결합하기도 합니다.
산소 원자는 같은 산소원자와 결합하여 산소기체가 되기도 하고, 2개의 수소 원자와 결합하여 물이 되기도 합니다.
이와 같이 원자는 결합하는 원자에 따라 여러 종류의 물질을 만들 수 있습니다.
반도체 물질 규소원자
반도체는 수 많은 규소원자 들의 결합으로 이루어져 있습니다.
규소원자가 어떻게 결합하여 반도체를 구성하는지 살펴보겠습니다.
원자는 자신이 가지고 있는 궤도에 알맞는 전자가 배치되어 있을 때 화학적으로 안정합니다.
보통 원자핵에서 가장 가까운 첫번째 궤도에 전자가 2개, 두번째와 세번째 궤도에 전자가 각각 8개 있을 때 가장 안정합니다.
그런데 규소원자의 최외각 궤도에서 운동하고 있는 전자, 즉 가전자는 4개뿐입니다.
규소원자가 안정한 상태가 아니라는 것입니다.
그래서 4개의 전자를 더 넣어주면 최외각 궤도의 전자가 8개가 되므로 규소 원자가 안정해집니다.
이렇게 원자가 다른원자의 전자들을 서로 공유하면서 8개를 채워 안정해지는 화학결합을 공유결합이라고 합니다.
이러한 결합이 3차원적으로 확장되면, 즉 입체적으로 확장되면 규소결정이라는 고체물질이 되는 것입니다.
이 물질이 반도체 물질과 연관이 있습니다.
