전하 운반자

고체물리학에서 전하 운반자(電荷 運搬子, charge carrier)는 이동하여 전하를 운반할 수 있는 입자 또는 준입자이며, 특히 전기 전도체에서 전하를 운반하는 입자를 말한다.^[1] 예로는 전자, 이온, 양공이 있다.^[2] 전도성 매질에서 전기장은 이 자유 입자들에 힘을 가하여 입자들이 매질을 통해 순방향으로 움직이게 할 수 있으며, 이것이 전류를 형성한다.^[3] 전자와 양성자는 기본 전하 운반자이며, 각각 동일한 크기와 반대 부호의 하나의 기본 전하(e)를 운반한다.

전도체에서

전도성 매질에서 입자들은 전하를 운반하는 역할을 한다. 많은 금속에서 전하 운반자는 전자이다. 각 원자의 원자가 전자 중 하나 또는 두 개는 금속의 결정 구조 내에서 자유롭게 움직일 수 있다.^[4] 자유 전자는 전도 전자라고 불리며, 자유 전자 구름은 페르미 기체라고 불린다.^[5][6] 많은 금속은 전자 및 양공 띠를 가지고 있다. 일부에서는 다수 운반자가 양공이다.

소금물과 같은 전해질에서 전하 운반자는 이온이다.^[6] 이온은 전자를 얻거나 잃어 전기적으로 대전된 원자 또는 분자이다. 전자를 얻어 음전하를 띠는 원자를 음이온이라 하고, 전자를 잃어 양전하를 띠는 원자를 양이온이라 한다.^[7] 해리된 액체의 양이온과 음이온은 용융된 이온성 화합물에서도 전하 운반자 역할을 한다 (예: 용융된 이온성 고체의 전기분해 예시인 홀-에루 공정 참조). 양성자 전도체는 양의 수소 이온을 운반자로 사용하는 전해질 전도체이다.^[8]

공기를 통한 아크 방전, 네온 사인, 태양과 별에서 발견되는 전기적으로 대전된 가스인 플라스마에서, 이온화된 가스의 전자와 양이온이 전하 운반체 역할을 한다.^[9]

진공 상태에서 자유 전자는 전하 운반자 역할을 할 수 있다. 진공관이라고 알려진 전자 부품에서 이동하는 전자 구름은 열전자 방출이라는 과정을 통해 가열된 캐소드에 의해 생성된다.^[10] 전기장이 전자를 빔으로 끌어들일 만큼 충분히 강하게 가해지면, 이것을 음극선이라고 부를 수 있으며, 2000년대까지 텔레비전과 컴퓨터 모니터에서 널리 사용되었던 음극선관 디스플레이의 기본이 된다.^[11]

트랜지스터 및 집적 회로와 같은 전자 부품을 만드는 데 사용되는 재료인 반도체에서는 두 가지 유형의 전하 운반자가 가능하다. P형 반도체에서는 양전하를 띤 유효 입자인 양공이 결정 격자를 통해 이동하여 전류를 생성한다. "양공"은 사실상 반도체의 원자가띠 전자 분포에서 전자가 비어 있는 공간이며, 이동성이 있어서 원자 자리에서 원자 자리로 이동하기 때문에 전하 운반자로 취급된다. N형 반도체에서는 전도띠의 전자가 결정을 통해 이동하여 전류를 발생시킨다.

이온 용액 및 플라스마와 같은 일부 전도체에서는 양전하 운반자와 음전하 운반자가 공존하므로, 이 경우 전류는 두 가지 유형의 운반자가 반대 방향으로 이동하는 것으로 구성된다. 금속과 같은 다른 전도체에서는 한 극성의 전하 운반자만 존재하므로, 그 안의 전류는 단순히 한 방향으로 이동하는 전하 운반자로 구성된다.

반도체에서

반도체에는 두 가지 유형의 전하 운반자가 알려져 있다. 하나는 음의 전하를 운반하는 전자이다. 또한, 원자가띠 전자 분포에서 이동하는 빈 공간(양공)을 전자의 크기와 동일한 양전하를 운반하는 두 번째 유형의 전하 운반자로 취급하는 것이 편리하다.^[12]

캐리어 생성 및 재결합

 이 부분의 본문은 캐리어 생성 및 재결합입니다.

전자와 양공이 만나면 재결합하여 이 자유 운반자는 효과적으로 사라진다.^[13] 방출되는 에너지는 반도체를 가열하는 열(열 재결합, 반도체의 폐열의 한 원인)일 수도 있고, 광자로 방출되는 빛(광학 재결합, LED 및 반도체 레이저에 사용됨)일 수도 있다.^[14] 재결합은 원자가띠에서 전도띠로 들뜬 전자가 양공으로 알려진 원자가띠의 빈 상태로 되돌아가는 것을 의미한다. 양공은 전자가 에너지 갭을 넘기 위한 에너지를 얻은 후 들떠서 원자가띠에 생성된 빈 상태이다.

다수 운반자와 소수 운반자

더 풍부한 전하 운반자를 다수 운반자라고 부르며, 이는 반도체에서 전류 수송의 주된 원인이다. N형 반도체에서는 전자가 다수 운반자이며, P형 반도체에서는 양공이 다수 운반자이다. 덜 풍부한 전하 운반자를 소수 운반자라고 부른다. N형 반도체에서는 양공이 소수 운반자이며, P형 반도체에서는 전자가 소수 운반자이다.^[15] 도핑된 반도체에서 양공과 전자의 농도는 질량 작용의 법칙에 의해 결정된다.

불순물을 포함하지 않는 진성 반도체에서는 두 유형의 운반자 농도가 이상적으로 동일하다. 진성 반도체가 주개 불순물로 도핑되면 다수 운반자는 전자가 된다. 반도체가 받개 불순물로 도핑되면 다수 운반자는 양공이 된다.^[16]

소수 운반자는 접합형 트랜지스터 및 태양 전지에서 중요한 역할을 한다.^[17] 장효과 트랜지스터 (FET)에서의 역할은 다소 복잡하다. 예를 들어, MOSFET은 P형 및 N형 영역을 가지고 있다. 트랜지스터 동작은 소스 및 드레인 영역의 다수 운반자를 포함하지만, 이 운반자들은 반대 유형의 바디를 가로지르며, 거기서 소수 운반자가 된다. 그러나 이동하는 운반자는 전이 영역에서 그들의 반대 유형보다 훨씬 많으므로 (실제로 반대 유형 운반자는 반전층을 생성하는 인가된 전기장에 의해 제거된다), 관례적으로 운반자에 대한 소스 및 드레인 명칭이 채택되고, FET는 "다수 운반자" 소자라고 불린다.^[18]

자유 전하 운반자 농도

 이 부분의 본문은 전하 운반자 밀도입니다.

자유 전하 운반자 농도는 도핑된 반도체 내의 자유 운반자의 농도이다. 이는 금속 내의 운반자 농도와 유사하며, 전류 또는 표류 속도 계산 목적으로 동일하게 사용될 수 있다. 자유 운반자는 도핑에 의해 전도띠 (원자가띠)에 도입된 전자 (양공)이다. 따라서 다른 띠에 양공(전자)을 남기지 않고 이중 운반자 역할을 하지 않는다. 즉, 전하 운반자는 전하를 운반하며 자유롭게 움직일 수 있는 입자이다. 도핑된 반도체의 자유 전하 운반자 농도는 특징적인 온도 의존성을 보인다.^[19]

초전도체에서

초전도체는 전기 저항이 0이므로 전류를 무한정 운반할 수 있다. 이러한 종류의 전도는 쿠퍼 쌍의 형성으로 가능하다. 현재 초전도체는 극저온 냉각을 사용하는 등 매우 낮은 온도에서만 구현될 수 있다. 아직 상온에서 초전도성을 달성하는 것은 어려운 과제이며, 이는 여전히 지속적인 연구와 실험 분야이다. 상온에서 작동하는 초전도체를 개발하는 것은 중요한 기술적 돌파구가 될 것이며, 이는 전력망 배전에서 훨씬 높은 에너지 효율에 기여할 수 있을 것이다.

양자 상황에서

예외적인 상황에서 양전자, 뮤온, 반뮤온, 타우 입자 및 반타우 입자도 잠재적으로 전하를 운반할 수 있다. 이것은 이론적으로 가능하지만, 이 대전 입자들의 매우 짧은 수명은 현재 기술 수준에서 그러한 전류를 유지하는 것을 매우 어렵게 만들 것이다. 이러한 유형의 전류를 인위적으로 생성하는 것이 가능할 수도 있고, 매우 짧은 시간 동안 자연적으로 발생할 수도 있다.

플라스마에서

플라스마는 이온화된 기체로 구성된다. 전하는 플라스마 내에서 전자기장 형성을 유발할 수 있으며, 이는 전류 또는 여러 전류의 형성으로 이어질 수 있다. 이 현상은 핵융합 반응기에서 사용된다. 또한, 우주에서는 제트, 성운풍 또는 대전 입자를 운반하는 우주 필라멘트의 형태로 자연적으로 발생한다. 이 우주 현상을 비르켈란 전류라고 부른다. 일반적으로 플라스마의 전기 전도도는 플라스마 물리학의 주제이다.

같이 보기

• 캐리어 수명
• 자유 전하
• 분자 확산