반도체를 이해하기 위해서는 전류(current)가 무엇인지 정확히 이해하는 것이 중요합니다.
전류는 단순히 전자의 이동일까?
흔히 전류를 “전자의 이동”이라고 정의합니다. 하지만 이 정의는 다소 단편적입니다.
좀 더 정확하게 말하면, 전류는 전하를 띈 입자들의 이동입니다.
이러한 입자들을 반송자(carrier)라고 하며, 전자(electron)와 정공(hole)이 있습니다.
반송자는 어떻게 이동할까?
반송자는 두 가지 방식으로 이동합니다.
- 표동(drift)
- 확산(diffusion)
표동은 전기장에 의해 반송자가 한 방향으로 이동하는 현상입니다. 즉, 외부에서 전기장을 가해줄 때 발생합니다.
반면 확산은 농도 차이에 의해 일어납니다. 양이 많은 곳에서 적은 곳으로 자연스럽게 이동하는 현상입니다. 이 과정은 별도의 외부 에너지 없이도, 상온에서의 열에너지에 의해 항상 일어나고 있습니다.
전류의 네 가지 성분
이 두 가지 이동 방식과 두 종류의 반송자를 고려하면, 전류는 다음 네 가지로 나눌 수 있어요.
- 전자의 표동 전류
- 전자의 확산 전류
- 정공의 표동 전류
- 정공의 확산 전류
우리가 측정하는 전류는 이 네 가지 성분이 모두 합쳐진 결과입니다. 다만, 실제 상황에서는 특정 성분이 다른 성분들보다 크게 나타나는 경우가 일반적입니다.
전류는 이동만으로 설명될까?
전류는 단순히 “이동”으로만 설명할 수 있을까요?
전류의 수학적인 정의를 다시 살펴보면, 다음과 같은 수식으로 표현됩니다.
I = dq/dt
즉, 시간에 따른 전하량의 변화가 전류입니다.
생성과 소멸도 전류를 만든다
이 정의를 보면 중요한 사실을 알 수 있습니다.
전류는 반드시 이동이 있어야만 생기는 것이 아니지요.
- 반송자가 새로 생성되는 경우
- 반송자가 사라지는 경우
이 역시 전하량의 변화를 만들기 때문에 전류로 나타납니다.
이를 각각
- 생성 전류(generation current)
- 재결합 전류(recombination current)
라고 합니다.
전류의 진짜 정의
결국 전류를 “전자만의 이동”이나 “이동 자체”로 정의하는 것은 전체의 일부만 설명하는 것에 불과합니다.
전류는 결국, 시간에 따른 반송자의 존재 변화입니다.
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