(day1) 전기전도도에 따른 고체의 분류 : 금속, 절연체, 반도체

안녕하세요! 반도체 쉽게 알려주는 "띵주"입니다.

"비전공자를 위한 쉬운 반도체 이야기" 카테고리에 포스팅하는 글들은
반도체를 전혀 모르는 비전공자를 대상으로 "반도체"를 쉽게 풀어서 설명하는것이 목적입니다.

이번 포스팅에서는 "전기전도도에 따른 고체의 분류"를 주제로 이야기 해보겠습니다.

전기전도도는 고체의 전기적 특성을 결정하는 중요한 지표로, 이를 기준으로 고체는 부도체(절연체), 도체, 반도체로 나뉩니다. 금속, 절연체, 반도체 특징과 응용에 대해 하나씩 살펴보겠습니다!

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1. 전기전도도란 무엇인가?

전기전도도(σ)는 외부에서 전계를 가했을 때 전류가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 값입니다. 미시적 옴의 법칙에 따라 전기전도도는 아래와 같이 정의됩니다:

J = σE

• J: 전류 밀도 ([A/cm²])
• σ: 전기전도도 ([S/cm])
• E: 전계 ([V/cm])

전기전도도가 크면 전류가 잘 흐르고, 작으면 전류가 거의 흐르지 않습니다. 이 값을 기준으로 고체를 부도체, 도체, 반도체로 나눌 수 있습니다.

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2. 고체의 분류

(1) 부도체 (절연체)

부도체는 전기전도도가 매우 낮아 전류가 거의 흐르지 않는 재료입니다. 전도 대역과 가전자 대역 사이의 에너지 갭(Eg)이 매우 커 전자가 전도대역으로 전이하기 어렵습니다 (Eg > 5 eV).

예시: 산화규소 (SiO₂), 질화규소 (Si₃N₄)

응용: 반도체 소자의 절연층, 집적회로 보호막

(2) 도체

도체는 전기전도도가 매우 커서 전류가 잘 흐르는 재료입니다. 전도대역이 가전자 대역과 겹치거나 전도대역에 자유 전자가 풍부해 전류가 쉽게 흐릅니다 (σ > 10⁴ S/cm).

예시: 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al)

응용: 전자 기기의 배선, 전력 및 신호 전달

(3) 반도체

반도체는 전기전도도가 부도체와 도체의 중간값을 가지며, 외부 조건(온도, 전압, 빛 등)에 따라 전도도가 크게 변합니다 (10⁻⁸ ~ 10⁴ S/cm).

예시: 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs)

응용: 트랜지스터, 다이오드, 태양전지, 센서

전기전도도에 따른 고체의 분류

 

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3. 에너지 밴드 이론으로 본 차이점

고체의 전기적 특성은 에너지 밴드 이론으로 설명할 수 있습니다:

• 부도체: 가전자대역과 전도대역 사이의 에너지 갭이 큽니다 (Eg > 5 eV).
• 도체: 가전자대역과 전도대역이 겹쳐 자유 전자가 풍부합니다.
• 반도체: 에너지 갭이 작아 외부 에너지로 전도대역으로 전이가 가능합니다.

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4. 마무리하며

전기전도도에 따라 고체는 부도체, 도체, 반도체로 나뉩니다. 이 중 반도체는 전기적 특성(전기전도도)을 조절할 수 있어 현대 전자 기술의 핵심으로 자리 잡았습니다. 이 기본 개념은 반도체 소자 설계와 분석의 기초가 됩니다. 다음 시간에는 또 다른 흥미로운 내용으로 찾아뵙겠습니다.

같은 내용을 반도체를 전공으로 하는 학부생을 대상으로 "반도체공학"에서 배우는 이론 및 지식들을 깔끔하게 정리한 내용을 원하시면 아래 링크를 참고하세요.

[Day1] 전기전도도(σ)에 따른 고체의분류