띠틈

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응집물질물리학에서, 띠틈(band gap 밴드 갭[*]), 띠간격, 또는 에너지 틈(energy gap)이란 반도체, 절연체띠구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지띠 (원자가띠)의 맨위부터 가장 낮은 공간띠 (전도띠)의 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 말한다. E-k 공간상에 있고, 전자는 이 상태를 취할 수 없다. 띠틈의 존재에 기인하는 반도체 물성은 반도체소자에서 적극적으로 이용하고 있다. 그리고 넓은 의미로는 결정의 띠구조에 대하여 전자가 존재할 수 없는 영역 전체를 가리킨다.

반도체 띠구조의 모식도. E는 전자가 가지는 에너지, k는 파수이다. Eg가 띠틈이다. 반도체 (또는 절연체)는 "절대영도에서 전자가 들어가있는 맨위의 에너지띠"가 전자로 채워져 있음 (원자가띠), 그 위에 띠틈을 넘어서 빈 띠가 있다. (전도띠)
금속, 반도체, 절연체띠구조의 간단한 모식도 (파수 공간 무시함)

띠틈을 표현할때 E-k 공간에서 띠틈 주변만 주목하거나, 파수 공간을 무시하고 에너지 준위만을 표현한 그림도 자주 사용된다.

반도체의 띠틈[편집]

전자가 띠틈을 넘어 원자가띠전도띠의 사이에 전이하려면 띠틈보다 큰 에너지 (이나 )를 흡수하거나 방출할 필요가 있다. 반도체소자는 이러한 띠틈 주변에서 전자 전이를 제어하는 것에 의하여 여러가지 기능이 구현되고 있다.

띠틈은 E-k 공간상에서 띠사이의 틈새이기 때문에 띠틈을 넘어서 전이하려면 에너지 (E)뿐만 아니라 파수 (k)도 맞추어야 한다. 파수 (波數)가 변화하지 않는 전이 (직접전이)면 빛만으로 전이가 가능하다. 파수가 다른 전이 (간접전이)는 격자진동과 상호작용도 개입되는 전이이다.

띠틈이 큰 물질은 광자에 의하여 전자가 여기되기 어렵고 그대로 광자가 통과되기 때문에 가시광선 범위의 에너지 이상으로 큰 띠틈을 가지는 물질은 투명하게 된다.

띠틈의 예[편집]

띠틈의 통상적인 단위는 전자볼트이다. 예를 들어, 규소의 띠틈은 약 1.2 eV, 갈륨비소(GaAs)의 띠틈은 약 1.4 eV, 와이드갭 반도체질화 갈륨(GaN)의 띠틈은 약 3.4 eV이다. 물질 내부에서 전도에 기여하는 모든 전자의 위치 에너지가 1 eV변하는 것은 물질 전체의 전위가 1 V변화하는 것과 동일하다. 띠틈의 크기는 PN 접합을 동작시킬 때 필요한 인가전압에 크게 영향을 준다. 예를 들어, 규소 다이오드는 일반적으로 0.6 ~ 0.7 V 정도에서 동작하지만, 질화 갈륨 파란색 발광 다이오드를 동작시키려면 3 V 를 넘는 전원이 필요하다. (PN 접합 참조)

이론적 계산[편집]

띠계산국소 밀도 근사 (LDA)에서 띠틈은 실험값과 비교하면 항상 과소평가되어 실험값과 일치하지 않는다. (예: 실리콘 띠틈의 실험값은 1.17 eV 이며 이것은 LDA에서 띠틈은 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.

같이 보기[편집]