격자 상수(lattice constant)와 에너지 밴드갭(energy bandgap)의 관계

반도체에서 energy bandgap과 lattice constant사이에 relationship이 있을 줄 몰랐습니다.

 

그러나 찾아보니까 energy bandgap과 lattice constant사이에 관계가 있었습니다. 이것은 아주 기초적인 개념으로 꼭 알아야한다 싶어서 기록을 남깁니다.

 

lattice constant(격자 상수)는 원자사이의 거리라고 생각하시면 됩니다. 원자의 결합에는 전자가 관여하는데 금속결합이 아닌 공유결합에서는 전자가 원자 A와 원자B 둘 다에 속해있습니다. 그래서 공유결합된 전자가 빠져나가려면(결합을 끊으려면) 원자A와 원자B 모두에게 허락을 받아야하죠.

 

 

Energy bandgap은 결합을 끊기 위해 필요한 에너지입니다(required energy to break the bonds). 전자가 결합을 탈출하기 쉬우면 적은 에너지가 필요하므로 에너지밴드갭이 작습니다. 에너지 밴드갭은 전자를 탈출시키는데 필요한 뇌물(?) 개념이라고 생각하면 쉽습니다. 상사(원자A,원자B)의 영향력이 클수록 뇌물을 많이 줘야 탈출(break the bonds)을 하겠죠? 상사의 영향력이 크다는 말은 원자사이의 거리가 작아 원자A와 원자B의 영향력이 크다는 말입니다.

충분한 에너지(뇌물)을 준다면 전자는 과감하게 탈출을 시도해서 성공합니다. 결과적으로 결합은 끊어집니다.
충분한 에너지(뇌물)를 주지 못한다면?? 전자는 탈출하다 실패해서 다시 원래 자리로 돌아옵니다.

격자 상수가 클수록 원자사이의 거리가 멀다는 뜻입니다. 이는 전자에 대한 원자A와 원자B의 영향력이 작다는 뜻입니다.(서울 사람이 부산에 사는 부하에게 명령내리면 씨알도 안먹히는 느낌) 그래서 원자사이의 거리가 멀수록 전자는 그 결합을 탈출하기 쉽습니다(감시가 없기에 말을 잘 안듣는 전자가 됨). 결합을 끊기 쉽기 때문에 에너지(뇌물)를 적게 줘도 됩니다. 그래서 에너지 밴드갭이 작죠.

 

격자 상수가 작을수록 원자사이의 거리가 가깝다는 뜻입니다. 이는 전자에 대한 원자A와 원자B의 영향력이 크다는 뜻이죠.(같은 회사 내에 있는 상사와 부하 느낌) 그래서 원자사이의 거리가 작을수록 전자는 그 결합을 탈출하기 힘듭니다(감시가 삼엄해 말을 잘듣고 탈출하려는 생각도 하기 힘듬). 결합을 끊기 어렵기 때문에 에너지(뇌물)를 많이 줘야합니다. 위험수당도 찔러줘야 얘들이 위험을 감수하고라도 결합을 탈출하려 하죠. 그래서 에너지 밴드갭이 크게 됩니다.

 

아주 간단한 개념이지만 기초적인 개념이기에 꼭 알아두시면 반도체 이해에 도움이 될 것 같습니다.