전기력#
전기력은 전하 사이에 작용하는 힘이다.
전하의 종류가 같으면 서로 밀어내는 힘이 작용하고, 전하의 종류가 다르면 서로 끌어당기는 힘이 작용한다.
- 전하: 물체가 전기적 성질을 가지게 하는 원인이다.
- 전하량(
): 물체가 가진 전하의 양이다. - 전하량의 단위:
, 쿨롱
두 전하 사이에 작용하는 전기력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
: 전기력 : 전기력 상수 , : 두 전하의 전하량 : 두 전하 사이의 거리
전기력의 크기는 두 전하의 전하량의 곱에 비례하고, 두 전하 사이 거리의 제곱에 반비례한다.
스펙트럼#
스펙트럼은 빛을 파장에 따라 나누었을 때 나타나는 색의 띠 또는 선이다.
연속 스펙트럼
연속 스펙트럼은 여러 파장의 빛이 끊어지지 않고 연속적으로 나타나는 스펙트럼이다.
고온의 고체, 액체, 고압 기체에서 방출되는 빛은 연속 스펙트럼을 만든다.
흡수 스펙트럼
흡수 스펙트럼은 연속 스펙트럼을 내는 빛이 저온의 기체를 통과할 때, 특정 파장의 빛이 흡수되어 검은 선이 나타나는 스펙트럼이다.
흡수 스펙트럼에 나타나는 검은 선을 흡수선이라고 한다.
선 스펙트럼
선 스펙트럼은 특정 파장의 빛만 밝은 선으로 나타나는 스펙트럼이다.
저압 기체가 방출하는 빛은 선 스펙트럼을 만든다.
선 스펙트럼에 나타나는 밝은 선을 방출선이라고 한다.
보어 원자 모형의 양자 가설#
보어 원자 모형은 원자핵 주위를 도는 전자가 아무 궤도에서나 운동하는 것이 아니라, 특정한 에너지를 가지는 궤도에서만 운동할 수 있다고 설명하는 원자 모형이다.
양자 조건
원자의 중심에는 원자핵이 있고, 전자는 원자핵을 중심으로 특정한 궤도에서 원운동을 한다.
전자는 특정한 궤도에서만 존재할 수 있으며, 각 궤도에서 전자가 가지는 에너지는 불연속적인 값을 가진다.
이를 에너지의 양자화라고 한다.
- 에너지의 양자화: 양자수에 따라 전자가 가지는 에너지가 특정한 값으로 정해지는 것
- 에너지 준위: 전자가 가질 수 있는 불연속적인 에너지 값
에너지 준위는 다음과 같이 나타낸다.
: 양자수 인 궤도에서 전자가 가지는 에너지 : 양자수
진동수 조건
전자의 전이는 전자가 에너지 준위 사이를 이동하는 현상이다.
전자는 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 이동할 때 에너지를 흡수한다.
전자는 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 이동할 때 에너지를 방출한다.
이때 흡수하거나 방출하는 에너지는 두 에너지 준위의 차이와 같다.
빛의 에너지는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
빛의 속력은 진동수와 파장의 곱으로 나타낸다.
따라서 진동수는 다음과 같다.
이를
: 빛의 에너지 : 플랑크 상수 : 빛의 진동수 : 빛의 속력 : 빛의 파장
빛의 에너지는 진동수에 비례한다.
빛의 에너지는 파장에 반비례한다.
수소 원자의 에너지 준위#
수소 원자에서 전자는 특정한 에너지 준위만 가질 수 있다.
양자수
양자수가 클수록 이웃한 에너지 준위 사이의 차이는 줄어든다.
바닥상태와 들뜬상태
바닥상태는 전자가 가장 낮은 에너지 준위에 있는 상태이다.
수소 원자에서 바닥상태는
들뜬상태는 전자가 에너지를 흡수하여 바닥상태보다 높은 에너지 준위에 있는 상태이다.
수소 원자에서 들뜬상태는
수소 원자의 스펙트럼 계열
수소 원자에서 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이할 때 빛이 방출된다.
이때 전자가 도달하는 에너지 준위에 따라 스펙트럼 계열이 구분된다.
- 라이먼 계열: 전자가
인 에너지 준위로 전이할 때 나타나는 스펙트럼이다. 주로 자외선 영역에 해당한다. - 발머 계열: 전자가
인 에너지 준위로 전이할 때 나타나는 스펙트럼이다. 주로 가시광선 영역에 해당한다. - 파셴 계열: 전자가
인 에너지 준위로 전이할 때 나타나는 스펙트럼이다. 주로 적외선 영역에 해당한다.
에너지 띠와 전기 전도성#
고체 속의 전자는 아무 에너지나 가질 수 있는 것이 아니라, 특정한 범위의 에너지 값을 가진다.
이때 전자가 가질 수 있는 에너지 범위를 에너지 띠라고 한다.
원자가 띠
원자가 띠는 원자에 속박된 전자들이 존재하는 에너지 띠이다.
원자가 띠에 있는 전자는 원자에 묶여 있어 자유롭게 이동하기 어렵다.
전도띠
전도띠는 전자가 자유롭게 이동하면서 전류를 흐르게 할 수 있는 에너지 띠이다.
전자가 전도띠로 이동하면 물질 안에서 비교적 자유롭게 움직일 수 있으므로 전기 전도에 참여할 수 있다.
띠틈
띠틈은 원자가 띠와 전도띠 사이의 에너지 간격이다.
띠틈이 작을수록 전자가 전도띠로 이동하기 쉬우므로 전기 전도성이 커진다.
반대로 띠틈이 클수록 전자가 전도띠로 이동하기 어려우므로 전기 전도성이 작아진다.
고체의 전기 전도도#
고체는 전기 전도도에 따라 도체, 절연체, 반도체로 구분할 수 있다.
| 구분 | 도체 | 절연체 | 반도체 |
|---|---|---|---|
| 정의 | 전기 전도도가 크고 비저항이 작다. 원자가 띠와 전도띠가 겹쳐 있거나 띠틈이 거의 없다. | 전기 전도도가 작고 비저항이 크다. 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠틈이 크다. | 전기 전도도가 도체와 절연체의 중간 정도이다. 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠틈이 비교적 작다. |
| 예 | 철, 니켈 | 나무, 유리 | 규소( |
도체는 원자가 띠와 전도띠가 겹쳐 있거나 띠틈이 거의 없어서 전자가 전도띠로 쉽게 이동할 수 있다.
절연체는 띠틈이 커서 전자가 전도띠로 이동하기 어렵다.
반도체는 띠틈이 비교적 작아서 특정 조건에서 전자가 전도띠로 이동할 수 있다.
불순물 반도체#
불순물 반도체는 순수한 반도체에 소량의 불순물을 첨가하여 전기 전도성을 높인 반도체이다.
불순물 반도체의 특징은 다음과 같다.
- 전기 전도도가 증가한다.
- 불순물의 종류에 따라 에너지 준위가 달라진다.
도핑
도핑은 순수한 14족 반도체에 다른 원소를 소량 첨가하는 것이다.
14족 원소에 원자가 전자가 3개인 13족 원소를 첨가하면 공유 결합에 전자가 하나 부족한 부분이 생긴다.
이 전자가 비어 있는 자리를 양공이라고 한다.
p형 반도체에서는 양공이 주된 전하 운반자이다.
14족 원소에 원자가 전자가 5개인 15족 원소를 첨가하면 공유 결합에 참여하고 남는 전자가 생긴다.
이 전자는 비교적 자유롭게 이동할 수 있다.
n형 반도체에서는 자유 전자가 주된 전하 운반자이다.
| 구분 | p형 반도체 | n형 반도체 |
|---|---|---|
| 도핑 | 14족 원소 + 원자가 전자가 3개인 원소 | 14족 원소 + 원자가 전자가 5개인 원소 |
| 주된 전하 운반자 | 양공 | 자유 전자 |
p-n 접합 다이오드#
p-n 접합 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 만든 소자이다.
p형 반도체와 n형 반도체를 접합하면 n형 반도체의 일부 전자가 p형 반도체 쪽으로 이동하여 양공과 결합한다.
이 과정에서 접합면 부근에는 자유롭게 이동할 수 있는 전자와 양공이 거의 없는 영역이 형성된다.
이 영역을 공핍층이라고 한다.
공핍층에서는 전하 운반자의 이동이 제한되어 전류가 쉽게 흐르지 않는다.
p-n 접합 다이오드는 전류를 한 방향으로 잘 흐르게 하는 정류 작용을 한다.
순방향 전압
순방향 전압은 p형 반도체를 전원의 양극에, n형 반도체를 전원의 음극에 연결한 경우이다.
- p형 반도체의 양공은 접합면 쪽으로 이동한다.
- n형 반도체의 자유 전자는 접합면 쪽으로 이동한다.
- 공핍층의 폭이 좁아진다.
- 전하 운반자가 접합면을 통과하기 쉬워진다.
- 전류가 잘 흐른다.
역방향 전압
역방향 전압은 p형 반도체를 전원의 음극에, n형 반도체를 전원의 양극에 연결한 경우이다.
- p형 반도체의 양공은 접합면에서 멀어지는 방향으로 이동한다.
- n형 반도체의 자유 전자도 접합면에서 멀어지는 방향으로 이동한다.
- 공핍층의 폭이 넓어진다.
- 전하 운반자가 접합면을 통과하기 어려워진다.
- 전류가 거의 흐르지 않는다.