밴드갭(Band Gap)

원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있으며, 전자는 일정한 에너지를 가진 궤도에 존재한다. 전자의 궤도는 보어(Bohr)의 원자모형 및 하이젠베르그(Heigenberg)의 불확정성 원리에 따라 일정한 에너지를 가지는 확률분포인 전자구름(electron cloud)을 형성한다. 이와 같은 구조를 가지는 원자들이 여러개가 모여 물질을 형성하면 이와 같은 전자의 궤도(에너지를 가질 수 있는 범위)는 그림 1.과 같이 일정한 에너지를 가진 띠(band)를 이룬다. (즉 그림 1의 개념은 원자 1개에 대한 개념이 아니고, 여러개의 원자가 모인 물질에 대한 개념이다.)

가전도대(Valence band)와 전도대(Conduction band)는 페르미 수준에 가장 가까운 밴드여서 고체의 전기 전도도를 결정한다. 가전도대는 전자가 절대 0도에서 전자가 가지는 에너지의 가장 높은 에너지 범위(band)이다. 전도대는 빈 전자 상태의 가장 낮은 범위(band)이다. 물질의 전자 밴드 구조의 그래프(그림)에서 가전도대는 페르미 수준(Fermi Level, Ev) 아래에 위치하며, 전도대는 그 위에 위치한다. 그림 1 및 그림 2에서 Y 축은 에너지의 크기라 볼 수 있다.

그림 1. 여러가지 물질의 밴드갭 형태 (출처 : www.wikipedia.org 부분편집)

 

그림 1에서 검은색은 전자가 채워진 준위, 흰색은 전자가 채워지지 않은 준위이다. 외부에서 원자가 에너지를 받게 되면(열, 전기, 빛에너지 모두 포함), 가전도대에 있는 전자가 에너지를 받아 여기(excitation)하여 전도대로 이동하게 되고 여기된 전자는 원자와 원자사이를 이동하면서 전기가 통하는 현상을 일으킨다. 그림 1에서 금속은 전도대와 가전도대가 겹쳐 있어 전자가 쉽게 이동할 수 있는데, 이를 전자바다(electron sea)라 한다. 따라서 전기가 쉽게 통한다. 이와 반면 부도체는 왠만한 수준의 에너지에 의해 가전도대에서 전도대로 전자가 이동하기 어려울 정도로 둘의 에너지 준위의 차이가 많이나서, 거의 전기가 흐르지 않는다. 반도체는 전도대와 가전도대가 떨어져 있기는 하나 에너지 차이가 많이 나지 않기 때문에 열/빛/전기 등의 에너지를 공급할 경우 가전도대의 전자의 일부가 전도대로 이동하여 전기가 흐를 수 있는 물질이다. 반도체에서도 Fermi Level에 가전도대가 가까울 경우 정공(hole)의 이동에 따라 전기가 흐르는 것 처럼 보이며(p- type 반도체), 전도대가 가까울 경우 전자(electron)의 이동에 따라 전기가 흐르는 것 처럼 보이는(n-type 반도체) 현상이 발생한다.

그림 2. 밴드갭 구조(출처 : www.wikipedia.org)

 

전도대와 가전도대가 만나는 금속은 특유의 광택을 가지는 것처럼 보이며, Band gap에너지는 반도체성 물질에서 물질의 색상 심지어 투명도를 결정하거나, 전기를 흐르게 할 수 있는 에너지의 수준을 나타내는 요소이다. 또한 반도체의 특성을 가지는 형광체의 경우 형광체에서 발생하는 빛(fluorescence)의 색상을 결정하기도 한다(물론 형광체에서 발생하는 빛의 파장은 밴드갭 에너지외에 도핑 수준에 따라서 결정되기도 하나 여기서는 다루지 않기로 한다).