가전자대역 전공에 의한 전류: Je,VB = Jp 쉽게 이해하기

안녕하세요! 반도체 쉽게 알려주는 블로그 "띵주의 공부일기"입니다. 

오늘은 반도체 공부하면서 헷갈릴 수 있는 주제를 다뤄볼게요. 바로 가전자대에서 정공 전류가 어떻게 만들어지는지, 그리고 왜 Je,VB = Jp 라고 표현하는지에 대해 쉽고 자세하게 설명해드리겠습니다.

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1. 반도체에서 전류를 만들 수 있는 두 가지 방법

먼저, 반도체에서 전류는 어떻게 만들어지는 걸까요?
우리가 가장 흔하게 접하는 금속에서는 자유전자가 움직이면서 전류가 흐릅니다.
그런데 반도체에서는 조금 더 흥미로운 일이 벌어집니다. 반도체에서는 전자뿐만 아니라, 전자가 빠진 자리를 대신 채우는 정공(hole)이라는 놈도 전류를 만들어낼 수 있어요!

• 전자(electron) : 전기적 성질이 음(-)인 입자입니다. 반도체 안에서 자유롭게 움직이며 전류를 흐르게 합니다.
• 정공(hole) : 전자가 빠져나간 자리입니다. 원래 가득 차있던 전자 공간에 구멍이 뚫린 것처럼 생각하면 편해요. 이 빈자리를 다른 전자가 메꾸러 오면서 빈자리(정공)가 마치 이동하는 것처럼 보입니다.

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2. 가전자대와 전도대, 쉽게 구분하기!

반도체 안에서 전자가 있을 수 있는 공간을 에너지 대역(band)이라고 부릅니다. 여기엔 두 가지가 있습니다.

• 전도대(Conduction Band, CB) : 자유롭게 움직이는 전자가 있어요. 이 전자들이 바로 전류를 만들어냅니다.
• 가전자대(Valence Band, VB) : 원래 전자가 꽉 차 있어서 이동할 일이 없어요. 그런데 전자가 하나 빠지면 빈자리(정공)가 생깁니다. 이 정공이 이동하면 전류가 만들어집니다.

가전자대에서 전자가 움직이면, 그 빈자리가 이동하는 것과 같으니까요! 그래서 가전자대에서는 정공 전류를 생각하게 되는 겁니다.

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3. 전자와 정공, 도로 위 차와 빈자리로 이해하기!

한 번 도로 위를 떠올려보세요!
도로에 차가 가득한데, 어떤 차 한 대가 오른쪽으로 빠져나간다고 해볼게요.

• 그럼 빈자리가 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한 것처럼 보이겠죠?
• 실제로 이동한 건 차지만, 빈자리가 움직였다고 생각할 수도 있습니다.

반도체도 마찬가지예요! 가전자대에서 전자가 왼쪽으로 움직이면, 정공은 오른쪽으로 이동하는 것처럼 보입니다.
그리고 우리는 이 정공의 움직임으로 전류를 설명합니다.

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4. Je,VB = Jp 라는 말의 진짜 의미

교재에서 자주 보는 이 공식!

Je,VB = Jp

• Je,VB는 가전자대에서 전자가 이동하면서 만들어진 전류입니다.
• 하지만 우리는 편하게 정공이 이동하는 것처럼 생각하기 때문에 정공 전류(Jp)라고 부릅니다.

사실 같은 전류를 다르게 표현한 것뿐이에요!
전자 입장에서 해석하든, 정공 입장에서 해석하든 전류의 양은 같습니다.

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5. 정리하자면!

• 가전자대 전류 Je,VB는 전자가 이동하면서 만들어집니다.
• 하지만 우리는 정공의 이동으로 전류를 더 쉽게 설명합니다.
• 그래서 Je,VB = Jp 라고 쓰는 거예요!

둘은 같은 전류지만, 누가 움직였다고 해석하느냐의 차이입니다.

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6. 왜 이게 중요할까요?

반도체 소자에서는 전류가 어떻게 흐르는지 이해하는 게 정말 중요합니다.
다이오드, 트랜지스터, 태양전지, LED 같은 소자들은 전류가 어디서 어떻게 만들어지는지에 따라 성능과 특성이 달라지거든요! 그래서 가전자대와 전도대에서 전류가 어떻게 만들어지는지, 그리고 정공이 어떤 역할을 하는지 아는 게 기본 중의 기본입니다.

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마무리하며!

이제 가전자대 전류와 정공 전류가 왜 같은지 확실하게 이해되셨나요?
다음엔 정공과 전자의 확산과 드리프트 전류도 쉽게 풀어드릴게요!
어렵거나 궁금한 내용은 언제든 댓글 달아주세요