띠간격
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띠간격이란 반도체, 절연체의 띠구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지띠 (원자가띠)의 맨위부터 가장 낮은 공간띠 (전도띠)의 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 말한다. 흔히 밴드갭 (영어: band gap)이라고도 한다. E-k 공간상에 있고, 전자는 이 상태를 취할 수 없다. 띠간격의 존재에 기인하는 반도체 물성은 반도체소자에서 적극적으로 이용하고 있다. 그리고 넓은 의미로는 결정의 띠구조에 대하여 전자가 존재할 수 없는 영역 전체를 가르킨다.
띠간격을 표현할때 E-k 공간에서 띠간격 주변만 주목하거나, k 공간을 무시하고 에너지 준위만을 표현한 그림도 자주 사용된다.
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[편집] 반도체에서 띠간격
전자가 띠간격을 넘어 원자가띠와 전도띠의 사이에 천이하려면 띠간격보다 큰 에너지 (빛이나 열)를 흡수하거나 방출할 핐요가 있다. 반도체소자는 이러한 띠간격 주변에서 전자 천이를 제어하는 것에 의하여 여러가지 기능이 구현되고 있다.
띠간격은 E-k 공간상에서 띠사이의 틈새이기 때문에 띠간격을 넘어서 천이하려면 에너지 (E)뿐만 아니라 파수 (k)도 맞추워야 한다. 파수 (波數)가 변화하지 않는 천이 (직접천이)면 빛만으로 천이가 가능하다. 파수가 다른 천이 (간접천이)는 격자진동과 상호작용도 개입되는 천이이다.
띠간격이 큰 물질은 광자에 의하여 전자가 여기되기 어렵고 그대로 광자가 통과되기 때문에 가시광선 범위의 에너지 이상으로 큰 띠간격을 가지는 물질은 투명하게 된다.
띠간격의 크기 (띠간격폭)을 나타내는 단위를 일반적으로 전자볼트가 사용된다. 예시로 실리콘의 띠간격은 약 1.2 eV, 갈륨비소는 약 1.4 eV, 와이드갭 반도체의 질화 갈륨에서는 약 3.4 eV이다. 물질내부에서 전도에 기여하는 모든 전자의 위치 에너지가 1 eV변하는 것은 물질 전체의 전위가 1 V변화하는 것과 동일하다. 띠간격의 크기는 PN 접합을 동작시킬 때 필요한 인가전압에 크게 영향을 준다. 예를들면 실리콘 다이오드는 일반적으로 0.6 ~ 0.7 V 정도에서 동작하지만, 질화 갈륨 파란색 발광 다이오드를 동작시키려면 3 V 를 넘는 전원이 필요하다. (PN 접합 참조)
[편집] 동의어
비슷한 용어로 에너지간격 (영어: energy gap)이 있다. 고체 전자론 (띠 이론)은 띠구조에서 간격과 간격 사이의 틈새를 가리키나 (넓은 의미로는 띠간격과 동일한 의미임), 그외 다른의미를 가지는 경우도 있다. (예: 초전도에서 에너지간격)
[편집] 이론 계산
띠계산의 국소 밀도 근사 (LDA)에서 띠간격은 실험값과 비교하면 항상 과소평가되어 실험값과 일치하지 않는다. (예: 실리콘 띠간격의 실험값은 1.17 eV 이며 이것은 LDA에서 띠간격은 0.4 ~ 0.5 eV 정도가 되어서 항상 과소평가되지만, 물질종류에 따라서 그 정도는 다르다.)
이 과소평가 문제를 해결하는 방법 (LDA를 초월하는 방식)으로 SIC, GW 근사가 있다.
[편집] 같이 보기
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