전기전자 - 고체의 전기 전도도 특성
전기전자 - 고체의 전기 전도도 특성
1. 제목 : 고체의 전기 전도도 특성
2. 실험목적 : 도체와 반도체의 저항이 온도에 관한 함수임을 관찰하고 이러한 온도와 저항의 관계가 고체의 띠 이론으로 설명됨을 이해한다.
3. 이론
금속이나 비금속의 모든 결정 고체 내에 있는 원자들은 매우 조밀하게 위치하므로 각각의 원자의 전자의 파동함수 사이에 중첩이 일어난다. 여기서 Pauli의 베타 원리에 의해 전자들은 서로 다른 양자 상태를 점유해야 하기 때문에 원자가 고립되었을 때에 가지는 전자의 에너지 준위가 원자의 수만큼 갈라지게 된다. 이러한 원리에 의하여 에너지띠를 형성하게 되고 고체내의 원자의 개수가 매우 많기 때문에 갈라진 에너지 준위사이의 간격이 매우 좁아 거의 연속적인 분포를 가진 띠로 볼 수 있다. 그리고 띠와 띠 사이에 간격이 존재함을 알 수 있다. 고체 내에서 한 전자는 이러한 에너지띠들에 속한 에너지들만을 가질 수 있다. 그런데 여기서 에너지띠가 다 채워져 있는 영역은 전자가 에너지를 가질 수 없는 영역 이고 전자가 에너지를 가질 수 있는 값은 다 채워져 있지 않은 영역이상의 에너지를 가질 수 있다. 도체, 절연체, 반도체를 이와 같은 띠 이론에 의해 설명해 보면 다음과 같다. 도체의 경우에는 페르미 에너지가 에너지 띠 안에 놓여있어 외부에서 전자에 에너지를 가하면 전자는 쉽게 에너지를 얻고 이 때 얻은 에너지는 전자의 운동에너지로 나타나고 운동하는 전자들은 전류를 형성한다. 이것이 도체 내에서 전류가 잘 흐르는 이유이다. 절연체의 경우 페르미 에너지가 에너지띠의 끝과 일치하기 때문에 전자가 에너지를 가지려면 다른 띠에 해당하는 에너지를 가져야 하는데 이러려면 최소한 띠의 간격사이의 에너지가 전자에 주어져야 한다. 절연체의 경우 이 에너지 간격이 크기 때문에 절연체에 에너지를 주어도 아주 큰 에너지가 아닌 한 전자가 다른 에너지 상태를 가질 수 없게 되고 이 때문에 전자는 움직이지 않고 전류가 흐르지 않게 된다.
반도체의 경우를 살펴보면 절연체와는 달리 띠 사이의 간격이 좁기 때문에 전자에 에너지
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2. 실험목적 : 도체와 반도체의 저항이 온도에 관한 함수임을 관찰하고 이러한 온도와 저항의 관계가 고체의 띠 이론으로 설명됨을 이해한다.
3. 이론
금속이나 비금속의 모든 결정 고체 내에 있는 원자들은 매우 조밀하게 위치하므로 각각의 원자의 전자의 파동함수 사이에 중첩이 일어난다. 여기서 Pauli의 베타 원리에 의해 전자들은 서로 다른 양자 상태를 점유해야 하기 때문에 원자가 고립되었을 때에 가지는 전자의 에너지 준위가 원자의 수만큼 갈라지게 된다. 이러한 원리에 의하여 에너지띠를 형성하게 되고 고체내의 원자의 개수가 매우 많기 때문에 갈라진 에너지 준위사이의 간격이 매우 좁아 거의 연속적인 분포를 가진 띠로 볼 수 있다. 그리고 띠와 띠 사이에 간격이 존재함을 알 수 있다. 고체 내에서 한 전자는 이러한 에너지띠들에 속한 에너지들만을 가질 수 있다. 그런데 여기서 에너지띠가 다 채워져 있는 영역은 전자가 에너지를 가질 수 없는 영역 이고 전자가 에너지를 가질 수 있는 값은 다 채워져 있지 않은 영역이상의 에너지를 가질 수 있다. 도체, 절연체, 반도체를 이와 같은 띠 이론에 의해 설명해 보면 다음과 같다. 도체의 경우에는 페르미 에너지가 에너지 띠 안에 놓여있어 외부에서 전자에 에너지를 가하면 전자는 쉽게 에너지를 얻고 이 때 얻은 에너지는 전자의 운동에너지로 나타나고 운동하는 전자들은 전류를 형성한다. 이것이 도체 내에서 전류가 잘 흐르는 이유이다. 절연체의 경우 페르미 에너지가 에너지띠의 끝과 일치하기 때문에 전자가 에너지를 가지려면 다른 띠에 해당하는 에너지를 가져야 하는데 이러려면 최소한 띠의 간격사이의 에너지가 전자에 주어져야 한다. 절연체의 경우 이 에너지 간격이 크기 때문에 절연체에 에너지를 주어도 아주 큰 에너지가 아닌 한 전자가 다른 에너지 상태를 가질 수 없게 되고 이 때문에 전자는 움직이지 않고 전류가 흐르지 않게 된다.
반도체의 경우를 살펴보면 절연체와는 달리 띠 사이의 간격이 좁기 때문에 전자에 에너지
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