반도체를 이해하기 위해서는 전류를 구성하는 전하(charge)에 대한 이해가 필요합니다.
전하는 무엇일까?
전하(電荷, charge)란 어떤 물체가 가지고 있는 전기적인 성질입니다.
전하의 “하(荷)”는 짐이라는 뜻(수하물에서와 같은 글자)이니
거꾸로 전기적인 성질을 띈 물체라고 정의해도 좋을 것 같아요.
우리는 일상적으로 전류에 관한 이야기를 많이 하는데,
전류의 본질은 전하의 움직임입니다.
조금 더 정확한 전류의 정의는 이후의 관련 글에서 확인해주세요.
즉, 전류를 이해하기 위해서는 먼저 전하를 이해해야 합니다.
전하는 어떻게 존재할까?
전하는 입자에 의해 운반되는데, 대표적인 전하를 띈 입자는 다음과 같습니다.
- 전자(electron)
- 정공(hole)
전자 하나는 음의 전하를 가지고 있고, 정공은 양의 전하를 가진 알갱이로 행동합니다.
이 둘을 반송자(carrier)라고 합니다. 전기를 나르기 때문이지요.
전하를 이해하는 것이 왜 중요할까?
반도체 소자를 이해할 때, 가장 중요한 질문은 다음과 같습니다.
- 전자나 정공이 어디에 있고, 어떻게 움직이는가?
- 전하의 흐름은 어떻게 이루어지고 있는가?
대부분의 반도체 내 현상들을 이해하기 위해서 이 질문들에 답을 해야 하는 일들이 많습니다.
전자와 정공의 차이
반도체 안에는 매우 많은 전자들이 존재합니다.
그리고 전자들 하나하나의 움직임이 전류를 만들어내지요.
반도체를 이해하기 위해서는
전자들이 어디에 존재하는지, 얼마나 존재하는지,
어떤 에너지를 가지고 있는지 등을 이해하는 것이 중요합니다.
결국, 이 모든 정보가 전류의 실체를 이루기 때문입니다.
이제 다음과 같은 상황을 생각해봅시다.
전하를 띤 반송자가 대부분 전자인데,
그 전자들 사이에 가끔 전자가 없는 빈 자리가 존재한다고 가정해봅시다.
이때 하나의 전자가 그 빈 자리를 채우고,
또 다른 전자가 그 자리를 채우는 식으로
전자들이 연속적으로 이동하게 됩니다.
이 과정을 모두 전자의 움직임으로 설명할 수도 있지만,
빈 자리 하나가 이동한다고 보는 것이 훨씬 간단합니다.
그래서 우리는 이 “빈 자리”를 정공(hole)이라는 개념으로 다루게 됩니다.
정공은 실제로 존재하는 입자가 아니라,
전자가 없는 상태를 하나의 입자처럼 표현한 개념입니다.
이 정공은 전자의 이동과 반대 방향으로 움직이는 것처럼 보이며,
그 결과 전자와 반대 부호인 양의 전하를 가진 것처럼 다룰 수 있습니다.
이 개념을 이해하기 위해 다음과 같은 비유를 생각해볼 수 있습니다.
물이 가득 찬 컵 속에서 공기 방울이 떠오르는 모습을 떠올려 보세요.
사실 공기 방울은 ‘물이 없는 공간’이지만,
우리는 그것을 하나의 물체처럼 보고 그 움직임을 따로 설명합니다.
정공도 이와 같은 개념입니다.
정공의 움직임은 실제로는 전자들의 이동에 의해 만들어지지만,
정공 하나의 움직임으로 표현하는 것이 훨씬 효율적입니다.
반도체를 공부하면서 관심을 가져야 할 전자와 정공은 다음과 같아요.
- 자유롭게 움직일 수 있는 전자
- 원자들에 속박되어 자유롭지 못한 전자들의 상대적인 이동으로 인해 나타나는 정공
이 둘 모두 사실은 전자를 이야기하고 있지만,
존재하는 영역이 다른 전자들을 바라보고 있는 것입니다.
정공은 자유롭지 못한 전자들이 존재하는 영역에서 나타난다는 사실을 기억해두면 좋습니다.
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