Conduction in Semiconductors

반도체의 결합구조가 반도체의 재료 특성을 좌우한다. 핵심효과로 결합구조는 전자의 에너 지 준위 및 결정격자에서의 전자들의 이동을 결정한다. 각 원자를 둘러싼 전자들은 공유결 합의 일부분이다. 하나의 공유결합은 단일 전자를 공유하는 2 개의 원자들로 구성되고, 각 원자는 이렇게 하여 8 개의 전자들로 둘러싸인다. 공유결합에서의 전자들은 바로 이 공유결 합에 의해 위치를 잡게 되고, 원자를 둘러싼 영역에 국재화(localized)된다. 그들은 움직이 거나 그 에너지를 변화시킬 수 없기 때문에 결합 내에 있는 전자들은 자유롭지(free) 못하 고, 태양전지에서의 전류 흐름이나, 흡착(adsorption) 혹은 여타 물리적인 프로세스에 참여 하지 못한다. 그러나 절대 온도 제로에서만 모든 전자들이 꼼짝하지 못하고(stuck) 결합된 고정 상태에 있게 된다. 온도가 올라가면, 특히 태양전지가 동작하는 온도에서는 전자가 그 결합을 벗어날 수 있는 충분한 에너지를 얻게 되고, 만약 그렇게 되면 전자는 결정격자 내 에서 자유롭게 움직일 수 있고, 전도에 참여할 수 있게 된다. 실온에서 반도체는 전기전도 에 참여할 수 있는 충분한 자유전자들을 갖게 되고, 절대 온도 제로나 그 부근에서 반도체 는 절연체와 같이 거동한다.

전자가 전도(free)에 참여할 정도의 충분한 에너지를 얻으면, 이는 높은 에너지 상태에 있는 것이다. 전자가 결합되어 있고, 그리하여 전도에 참여할 수 없으면, 그 전자는 낮은 에너지 상태에 있는 것이다. 그러므로 결합의 존재에 따라 전자들에게는 2 개의 확연히 구분되는 에너지 상태가 도입된다. 전자는 이들 2 개의 에너지 상태의 중간 에너지 값은 가질 수 없 는데, 결합 내에서 낮은 에너지 위치에 있거나, 혹은 충분한 에너지를 얻어 자유롭게 되거 나 하여 특정한 최저 에너지를 갖는다. 이 최저 에너지를 반도체의 밴드갭(band gap)이라 부른다. 자유 전자들의 수와 에너지는 전자 소자의 동작에 기본이 된다.

전자들의 뒤에 남겨진 공간에 의해 공유결합이 하나의 전자에서 다른 전자로 움직일 수 있 게 되고, 이렇게 하여 양(포지티브)전하가 결정격자를 가로질러 움직이는 것처럼 보이게 된 다. 이 빈 공간을 정공(hole)이라 하는데, 전자와 비슷하고 다만 양전하를 가지고 있다.

전자가 결합을 벗어날 때 자유전자와 정공이 형성되는 것을 보여주는 애니메이션

태양전지용 반도체 재료에서 가장 중요한 변수는 아래와 같다.

• 밴드갭
• 전기 전도에 동원 가능한 자유 캐리어의 수
• 재료에 조사되는 빛에 의한 자유 캐리어들의 생성(generation)과 재결합 (recombination)

이들 특성들에 대해서는 다음 페이지에 상세히 설명되어 있다.