07. 에너지 띠(Energy Band)

 

7. 1. 에너지 띠(Energy Band)

 

- 스펙트럼(Spectrum): 빛이 프리즘을 통과할 때 파장이 다른 여러가지 빛으로 분리되어 보이는 색의 띠.

 

- 연속스펙트럼(Continuous Spectrum): 색의 띠가 모든 파장에서 연속적으로 나타나는 스펙트럼. ex) 햇빛.

 

- 선스펙트럼(Emission Spectrum): 수소와 같은 기체에 높은 전압을 걸어주었을 때, 특정한 위치에 밝은 새그이 선이 띄엄띄엄 나타나는 스펙트럼.

 

- 흡수 스펙트럼(Absorption Spectrum): 연속 스펙트럼을 나타내는 빛을 온도가 낮은 기체에 통과시켰을 때, 기체가 특정 파장의 빛을 흡수하여 연속스펙트럼에 검은 선이 나타나는 스펙트럼.

 

 

- 보어의 원자모형: 원자의 중심에는 원자핵이 있고, 전자는 특정 궤도에서 원운동을 하고 있다.

 

- 원자핵에서 가장 가까운 궤도부터 n = 1, 2, 3 … 으로 부르고, 1 2 3을 양자수라고 부른다.

 

- 에너지 양자화(Energy Quantization): 전자는 양자수와 관련된 특정한 에너지 값만 가질 수 있다.

 

- 에너지 준위(Energy Level): 전자가 가지는 에너지의 값.

 

- 전자의 전이: 전자가 에너지 준위 사이를 움직이는 것.

 

  1) 전자가 에너지를 흡수하면 낮은 양자수에서 높은 양자수로 이동하고, 에너지를 방출하면 높은 양자수에서 낮은 양자수로 이동한다.

 

  2) 방출하는 빛의 에너지가 클수록 진동수가 크고, 파장은 짧아진다.

	라이먼(Lyman)	발머(Balmer)	파셴(Paschen)
전자의 전이	전자가 n ≥ 2 인 궤도에서 n = 1 인 궤도로 전이할 때	전자가 n ≥ 3 인 궤도에서 n = 2 인 궤도로 전이할 때	전자가 n ≥ 4 인 궤도에서 n = 3 인 궤도로 전이할 때
빛의 영역	자외선 영역	가시광선 영역	적외선 영역
비교	- 에너지, 진동수 : 라이먼 > 발머 > 파셴 - 파장 : 라이먼 < 발머 < 파셴

 

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7. 2. 고체의 에너지 띠(Energy Band of a Solid)

- 고체는 원자 사이의 간격이 가까워 인접한 원자들의 전자 궤도들이 겹치게 된다. 이 때 미세한 차이를 두면서 존재하게 되어 에너지 띠가 두꺼운 띠처럼 보이게 된다.

 

- 원자핵에서 멀어질수록 에너지 띠는 더 두꺼워진다.

 

 

(에너지 띠의 구조(Structure of Energy Bands)).

 

- 허용된 띠: 전자가 존재할 수 있는 영역. 온도가 0K인 상태에서 원자 내부의 전자들은 허용된 띠의 에너지가 낮은 부분부터 채워나간다.

 

- 원자가 띠(Valence Band): 원자가 전자가 차지하는 에너지 띠.

 

- 전도 띠(Conduction Band): 원자가 띠 위에 있는 에너지 띠로, 원자가 띠에 있던 전자는 에너지를 흡수하여 전도띠로 이동할 수 있다.

 

- 띠틈(Band Gap): 어떤 전자도 존재할 수 없는 영역.

 

- 원자가 띠에서는 전자가 자유롭게 움직이지 못하지만, 전도띠로 전이된 전자는 전류를 흐르게 할 수 있다.

 

  에너지 띠 구조의 차이에 의해 고체의 전기 전도도가 달라지는 원인이 된다.

 

- 자유전자(Free Electron): 원자가 띠에 있다가 띠틈보다 더 큰 에너지를 얻어 전도띠로 전이된 전자.

 

- 양공(Electron Hole): 전자가 전도띠로 전이할 때 원자가 띠 생기는 구멍, (+)전하.

 

- 자유전자와 양공에 의해 고체에 전류가 흐르게 된다.

 

	도체(Conductor)	절연체(Insulator)	반도체(Semiconductor)
정의	전기가 잘 통하는 물질.	전기가 잘 통하지 않는 물질.	전기가 통하는 정도가 도체와 절연체의 중간 정도인 물질.
에너지 띠	- 전도띠와 원자가띠의 일부가 겹쳐져 있다. - 원자가띠에 전자가 일부만 채워져 있다.	- 띠틈이 매우 넓다. - 원자가 띠에 전자가 모두 채워져 있다.	띠틈이 절연체에 비해 상대적으로 좁다. - 원자가 띠에 전자가 모두 채워져 있다.
전자의이동,전류의흐름	- 약간의 에너지만 흡수해도 전자가 쉽게 전도띠로 이동한다. - 원자가 띠에 전자가 부분적으로 채워져 있어 전자가 자유롭게 움직일 수 있다.	- 전류가 흐를려면 원자가띠의 전자가 띠틈보다 큰 에너지를 얻어 전도띠로 가야 한다. - 띠틈이 매우 넓어서 전자가 전도띠로 거의 갈 수 없다.	- 전류가 흐를려면 원자가띠의 전자가 띠틈보다 큰 에너지를 얻어 전도띠로 가야 한다. - 띠틈이 좁아서 전자가 전도띠로 이동할 수 있다.
전기전도도	전기전도도가 매우 크다.	전기전도도가 매우 작다.	전기전도도가 절연체보다 크다.
예시	금, 은, 구리	나무, 고무, 유리	실리콘(Si), 저마늄(Ge)

 

 

- 도체는 온도가 올라가면 전기저항이 증가하지만, 절연체와 반도체는 온도가 올라가면 전기저항이 감소한다.

 

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