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Physics

페르미 준위(Fermi level)

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고체 내에서 가장 약하게 속박되어 있는 전자의 에너지 준위.

  이를 처음 제안한 엔리코 페르미의 이름을 따서 명명한 것이다. 절대영도에서 페르미 준위의 값을 페르미 에너지라고 하며 고체의 종류에 따라 일정한 값을 갖는다. 페르미 준위는 고체의 온도가 올라가거나 전자가 첨가되면 변경된다. 고체 내에 속박된 전자가 가질 수 있는 여러 에너지 값을 에너지 준위라고 부른다. 양자역학의 법칙에 의하면 각각의 에너지 준위는 오직 한정된 수의 전자만을 받아들일 수 있다. 페르미 준위는 전자가 채워질 확률이 1/2이 되는 에너지 준위이다. 이보다 낮은 에너지 준위는 전자로 채워지는 경향이 있으며 이보다 높은 에너지 준위는 비워지려는 경향이 있다. 서로 다른 페르미 준위를 갖는 물질이 접촉하게 되면 페르미 준위가 높은 물질에 있는 일부의 전자가 다른 물질로 이동하게 된다. 이와 같은 전자의 이동에 의해서 낮은 페르미 준위는 올라가게 되고 높은 페르미 준위는 내려가게 되어 전자의 이동이 끝나면 두 물질의 페르미 준위가 동일하게 된다.

  반도체에서의 광전효과는 양자역학으로만 설명된다. 고체는 조그마한 결정들로 이루어졌다고 볼 수 있다. 또 이 결정들은 격자구조라고 하는 3차원의 규칙적인 원자배열을 갖고 있다. 원자에 구속되어 있거나 혹은 자유상태로 있거나 관계없이 격자 안의 모든 전자들은 에너지상태라는 제한된 에너지를 갖는다. 여기서 에너지상태들은 결정의 격자구조에 영향을 받는다. 전자들은 열이나 전자기 에너지를 흡수해서 더 높은 에너지 상태로 옮겨갈 수 있다. 양자역학 법칙에 따르면 불연속적이며 특정한 에너지 상태만이 존재하며, 이들은 에너지대(energy band)에 모여 있다. 이 에너지대 사이에는 금지대(forbidden band)라는 영역이 존재한다. 결정이 절대온도 0의 상태에 있을 때 전자가 채워지는 가장 높은 에너지대를 가전자대(valence band)라고 한다. 만약 이 가전자대가 채워지지 않은 상태를 포함하고 있다면 이 영역을 전도대(conduction band)라고 하며, 이때 결정은 금속이 된다. 만약 모든 상태들이 채워져 있다면 이 결정은 전자들이 가전자대로부터 다음의 채워지지 않은 영역으로 옮겨가 전도대로 될 수 있는가의 여부에 따라 절연체 혹은 반도체가 된다. 반도체의 경우 빛의 형태로 에너지를 주어 원자가전자를 전도대로 올려놓을 수 있다. 또 금지대의 간격에서 에너지 준위(準位)를 갖는 불순물 원자라고 하는 원자들이 반도체에 전자를 공급할 수 있다. 절연체의 경우 금지대의 간격이 너무 커서 전자들이 쉽게 옮겨갈 수 없다.

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