전기 물성 공학(박창엽 저)

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승일 온
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1 전기물성공학 ( 박창엽저 ) 강원대학교삼척캠퍼스 전기공학과 송우창

2 제 1 장물성론의기초지식 1-1 전자와그특성 1-2 원자의구조 1-3 분자의성질 1-4 열에너지와분자운동 1-5 고체의구조 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 2

3 1-1 전자와그특성 저기압방전 : 유리관의양끝에전극을고정시키고진공펌프로배기시키면서전극에고전압을가하면가스발광 음극선 : 부 (-) 의전하와어떤크기의질량을갖는입자 ( 전자 ) 의흐름 전자 : 전하량 Qe = ⅹ10-19 [C] : 질량 me = 9.109ⅹ10-31 [kg] 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 3

4 아인슈타인의상대성이론 특수상대성이론 모든관성계에서물리법칙은동일하게나타난다. 등속직선운동을하는물체사이에서나타나는물리법칙은 동일하다. 진공에서의광속은모든관성계에서항상일정하다. 위와같은가설로부터시간의팽창, 길이의수축등이생김 일반상대성이론 서로일정한속도로운동하고있는 2 개의체계내에서기본적인물리법칙은같은형으로나타난다. 모든운동물체에서물리법칙은동일하게성립한다. 아인슈타인식 : W = mc 2 관성 질량-에너지등가원리의식 물체가외부의힘을받지않 는한정지또는등속도운동의특수상대성이론에서유도됨상태를지속하려고하는성질. 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 4

5 전자볼트 (electron volt, [ev]) 전자의에너지는매우작은양이므로줄 [J] 을사용하기에는불편함 그림에서전극간전압을인가하면 전자는전계에의해힘을받아가속됨 이상태로전자가양극에도달했을때의운동에너지는? 전계에의한힘 : F=eE=eV/d D만큼이동했을때의일 : W=Fd 양극에도달했을때의전자의운동에너지 : W=1/2(mv 2 )=Fd=eEd=eV 따라서 1[V] 의전압을가하여가속시켰을때전자가얻는에너지는 W=e[C]ⅹ1[V]=1.602ⅹ10-19 [J] 1[J]=0.63ⅹ10 19 [ev] F=eE - + d V 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 5

6 원자 1-2 원자의구조 분자를화학적으로분해하면여러개의원자로나누어짐 원자의크기는종류에관계없이대략 10 [Å] 정도 (Å=10-10 [m]) 원자의질량은 [kg] 정도 원자는원자핵 (+) 과전자 (-) 로구성 원자는전기적으로중성 원자핵은양성자 (+) 와중성자로구성 양성자는전자의약 1840 배의크기 양자 (proton) 원자량 원자의질량을표시 탄소 (C-12) 원자의질량을 12 로정했을때, 각원자질량의상대적 크기 1 [amu] (atomic mass unit): [kg] 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 6

7 양극선 음극선과반대방향으로방사선이나옴 정 ( 正, +) 으로대전된입자임 Spectrum 광학에서가시광선 자외선 적외선을파장에따라서배열한것. 원자의구조를해명할수있음 종류 연속 Spectrum : Spectrum이연속적으로나타남, Ex) 태양광 선 ( 띠 ) Spectrum : 어떤특정한물질의빛을관측하면그원자특유의선만이존재 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 7

8 원자모형 Tomson 의수박모형 ( 수박씨모형 ) : 연속적인정의전하중부의전자가수박씨모양으로분포 Nagaoka 의원자모형 : 정전하는원자의중심부에존재하고부전하는그주위를회전 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 8

9 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 9

10 Nagaoka-Rutherford 의원자모형 원자중심에는정의전하를갖는핵 원자질량의거의전부를차지하고체적은거의없음 원자핵이갖는정전하는전자가갖는전하의정수배이고그수는원자번호와같음 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 10

11 Nagaoka-Rutherford 원자모형의모순점 순간적으로 (-) 전하와 (+) 전하는전기쌍극자형성 회전하면서끊임없이전자파방출 연속스펙트럼 : 실제로수소원자의스펙트럼은선스펙트럼임 빛방사 에너지방사 낮은궤도로이동 원자핵에끌려감 : 실제로전자는항상일정한궤도를움직임 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 11

12 흑체방사 흑체 : 물체의표면을적당히처리하여입사한열방사선을완전히흡수하는이상적인물체 빛, 온도, 파장 ,000 2,000 4, nm 550 nm 380 nm 검은물체를가열할경우, 저온에서는검게보이나적외선방사로따뜻함 온도를좀더높이면빨갛게되는데이는묽은색쪽의가시광선과더많은적외선이나오고있음을의미 온도를더높이면더많은빛이나오게되고짧은파장의빛도점점많이나타나게됨 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 12

13 전자파의전파장영역과에너지와의관계

14 양자론도입 플랭크의가정 빛적외선의에너지는불연속적으로방사또는흡수됨 주파수 f 인파는hf 라는에너지덩어리가방사또는흡수됨 W = hf h = [J s]( 입자성과파동성을연결 ) f = c, f = 1/T 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 14

15 광전효과 광전효과음극에자외선조사 방전촉진 ( 헤르쯔 ) 금속표면에빛조사 전자방출 광전자 아인슈타인의광전방정식 외부로나온전자가갖는운동에너지 W = ½ m e v 2 = hf - 0 여기서, = hf 0 0 ( 일함수 ) : 광전자를외부로끌어내는데필요한일 ( 에너지 ) 0 E Φ( 일함수 ) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 15

16 콤프톤효과 ( 광자의실재를증명 ) 빛, X 선을물질표면에쬐면투과되는것도있으나입사방향과다른방향으로산란되는것도있음 산란된 X 선중입사한것보다파장이약간긴 X 선이나타난다. 파장이길어지는정도는산란각에의해결정되며물질의종류, 입사된 X 선의파장과는무관 빛또는 X 선을전자와충돌시켜운동량보존의법칙, 에너지보존의법칙등을적용시키면 - =h/m 0 c (1-cos ) 충돌광량자가 = /2 로되면 - =h/m 0 c =2.4*10-12 [m]: 콤프톤파장 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 16

17 보어의수소원자론 보어의가정 1. 정상상태의존재 : 각각의정상상태는일정한에너지값 E n 을가짐 2. 각운동량의양자화 : 전자회전의각운동량 P 가 h/(2 ) 의정수배로되는상태만이정상상태로존재 3. 아인슈타인의광자설도입 : 전자가한정상상태에서다른정상상태로전이할때는에너지를가진광자 1 개만을방출또는흡수 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 17

18 h E 3 E 3 h E 1 E 2 E 2 E 2 n 1 E 1 h E 1 E 3 n 2 n 3 h ( E i E f ) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 18

19 수소원자의원궤도 수소원자의양자에대해반경 r 의안정된궤도에있는전자 정전기력 - 2 q Kr 2 - mv r 2 원심력 - + r 여기서 K=4 o, m 은전자의질량, v 는속도 2 Kn mq 2 rn 2 r 1 =0.528[Å] n( 주양자수에해당 ) 은정수값을취하기때문에 r 은 n 번째궤도를나타내기위해 r n 으로표시 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 19

20 각정상상태의에너지값 n 번째궤도에있는전자의 total energy 는 4 mq En K. E. P. E K n 궤도 n 1 과 n 2 사이의에너지차이는 4 mq 1 1 En2 En1 ( ) K n n 1 2 n=1 일때에최소의궤도반경과최저의에너지준위를나타내는데, n 이점차커짐에따라전자는원자핵으로부터멀어지며, 전자의에너지는점차 0 에가까운 negative 의값을갖게된다. E 1 =-13.58[eV] 이들궤도사이의천이에의해방출되는빛의주파수는 v E E mq 2 2K 1 ]( h n 4 n2 n1 21 [ h 1 n 2 1 ) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 20

21 보어의원자모델의의의 원자의크기, 안정성및스펙트럼문제해결 원자내전자의에너지양자화제시 원자의빛흡수및방출방식제시 원자의선스펙트럼의기원밝힘 기저상태 : n = 1 인궤도상태, 가장안정한상태 정상상태 : 일반적으로안정한궤도에있는전자의운동상태 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 21

22 여기현상 빛또는 X 선을원자에조사하거나전자를충돌 광량자를흡수하거나광량자의운동에너지일부를빼았아 전자는에너지가보다높은궤도로올라감 이온화현상 여기현상이일어날때원자가충분히큰에너지를받으면원자중의전자는최외각궤도를이탈하여자유전자가됨 이온화에필요한에너지 : n = 인 W = 0 수소의이온화에너지또는이온화전압 W -W1 = [ev] 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 22

23 에너지준위 : 양자수 n 이 1 에서점점커짐에따라대응되는에너지값 탄성충돌 : 전자의에너지준위가 E 2 일때이전자에다음의정상상태와의차인 E 2 E 1 보다작은에너지를갖는전자를외부에서충돌시키면제 2 의정상상태로전자를여기시키지못함 비탄성충돌 : 외부의전자가 E 2 E 1 보다큰에너지를갖고충 돌되었다면원자는 E 2 의에너지를갖는상태로여기되고충돌된전자는그만큼의에너지를잃게됨. 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 23

24 프랑크 - 헤르츠의실험 원자의내부에너지상태들이양자화 ( 에너지준위로표시 ) 됨을실험적으로확인. 0 C G 1 V 0 G 2 V 0 - V P I 가열된가열된음극에서방출된방출된전자를가속전압 V 로가속시키면서전류 I I 를측정를측정 V (0.5V) 수은원자 V 0 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 24

25 음극 C 에서나오는전자를그리드 G 1 에걸린적당한전압으로가속시키고, 도중에있는기체에충돌시킴. 양극 P 앞에 0.5V 정도의정전위를가진그리드 G 2 를놓고비탄성충돌때문에에너지를잃어버린전자만을포획. 4.9 V E ev E 1 전자의에너지가 4.9 ev 되는순간갑자기전자의에너지가원자에의해흡수됨 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 25

26 광전효과 (photoelectric effect) 음극에어떤임계주파수 ν 0 보다큰주파수 ν 를갖는빛을쪼이면, 양극의전압이 0 인경우 ( 즉전원이연결되지않았을경우 ) 에도전류계에는전류 I 가흐르고있는것으로나타난다. 빛이음극을때리면반대쪽전극까지갈수있는충분한운동에너지를갖는전자가방출됨을의미

28 솜머펠드의타원궤도 보어의원자모형 수소원자에정확히적용 원자의화학적성질의차이를규명못함 주기율의발생설명못함 Stark : 수소스펙트럼을관측 발머계열의각스펙트럼선이한개가아님 원자가갖는정상상태의에너지준위가하나의양자수만으로나타낼수있는간단한것이아님을암시 솜머펠드는타원궤도로확장하여생각 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 28

29 1 개의양자수 n 에대하여원궤도를포함하여궤도가 n 개존재 ( 그림 1.39) l=1 l=0 l=0 l=2 l=1 l=0 n=1 n=2 n=3 n=4 n 이같은궤도는타원의형이다를지라도전자의에너지동일 ( W = E + U ) n 이궤도의에너지를지배하는주요한양자수 주양자 ( 量子 ) 수 l 은타원궤도의형이보어의조건을만족하도록정하는새로운양자수 부 ( 방위 ) 양자수 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 29

30 자기양자수 2 개이상의전자를갖는일반원자의경우핵의인력외에타전자와척력이작용 자기에너지는궤도면의각도 ( 기울기 ) 에의해다름 솜머펠드는자기모멘트의특정방향의성분 m 이정수치로되는궤도면만이허용된다고생각 자기양자수 m = 0, ±1, ±2, ±3, ±l 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 30

31 전자의 spin( 자전 ) 1 개의타원궤도는솜머펠드의 3 개의양자수 n, l, m 에의해결정 정상상태의에너지는보어의이론과같이주양자수만으로결정 스펙트럼을더욱정밀히검색해보면접근된 2 개의선으로이루어짐 전자가원자핵주위로궤도운동을할뿐아니라전자자신도자전함 (S= ±1/2) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 31

32 원자중의전자의상태를나타내는양자수 주양자수 : n = 1, 2, 3,. n 부 ( 방위 ) 양자수 : l = 0, 1, 2,. n-1 자기양자수 : m = 0, ±1, ±2, ±3, ±l 스핀양자수 : s = ±1/2 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 32

33 주기율 원소 : 물질을화학적으로분석했을때더이상분석할수없는어떤일정한물질을갖는최소단위물질 주기율 : 원소를원자량의크기에따라배열해보면화학적인성질이비슷한원소가주기적으로나타남. (Ar, K는예외 ) 원자번호 Z 핵 (+ 전하 ) : Ze 전자 : -e Z = -ez 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 33

34 주기율표 I II III IV V VI VI VIII H I He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca/Zn Ga Ge As Se Br Kr Cd In Sn Sb Te Hg Ti Pb Bi 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 34

35 파울리의배타원리 1 개의원자중에서의전자는 n, l, m, s 로지정되는 1 개의궤도상에 1 개의전자만존재 주양자수 n 에채워지는전자의총수 : 2n 2 최외각전자수는원자가와일치 최외각전자 : 원자가전자, 가전자 전이원소 : 최외각전자가 4s 를먼저채운후 3d 를채우는원소를 전이원소라고한다. 예 ) 스칸듐 (Sc, z=21) 부터니켈 (Ni, Z=28) 까 지의철족원소 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 35

36 전자의각내에서의배치상태 K L M N 주양자수 n 방위양자수 l 부각 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 전자수 총전자수 2n 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 36

37 주기율표를이용한전자배치 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 37

38 전자는위의주기율표에따라순서대로배치된다. 철 (Fe, Z=26) 의전자배치의예 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 납 (Pb, Z=82) 의전자배치의예 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2 Lawrencium(Z=103) 의전자배치의예 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 6d 1 1s 2 2s 2 3s 2 4s 2 5s 2 6s 2 7s 2 2p 6 3p 6 4p 6 5p 6 6p 6 3d 10 4d 10 5d 10 6d 1 4f 14 5f 14 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 38

39 드브로이이론 물질입자가어떤속도로운동할때입자와함께공간을전파하는파를수반 이파의파장은그물질의운동량이 P(=mv) 이면이와똑같은운동량을갖는광자의파장과같다 전자는파동성과입자성을동시에가짐 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 39

40 드브로이파 De Broglie s material wave 빛의이중성 전자기파 & 광자 파장파장 의전자기파 운동량 p = 파장파장h/ h/ 의입자 입자도파동성을띈다. (1924 년 ) 운동량 p 의입자 파장파장 h/p=h/mv 의물질파 물질입자가어떤속도로운동할때입자와함께공간을진행하는파 ( 동 ) 를수반한다. 파장 의파 ( 동 ) 가존재할때, 공간의임의의점에서파동의진폭의제곱은그점에서운동량 p(=h/ ) 의입자를발견할확률에비례한다. 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 40

41 Ex) 전압 V 로가속된전자에수반된드브로이의파장은? 1 2 mv ev 2 이때de Broglie 파장은 v 2eV m h p 1927 년미국의 C.J. Davison 과 A. Germer 에의해확인 가속된전자빔을 nickel 의작은입체형조각에입사시킨후회절현상관찰 측정된파장이 h/mv 값과일치 1929 년노벨상수상 h mv h 150 2meV V o A 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 41

42 드브로이에의한보어의양자조건해석 보어의양자조건에물리적의미부여 원자내전자를물질파로간주 원자내전자는궤도의둘레가물질파파장의정수배가되는궤도만허용된다. 2 r n, n 1,2,3, h 2 r n, mv n 1,2,3, h mvr n, 2 n 1,2,3, 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 42

43 슈뢰딩거의파동방정식 - 2 φ+2m/h 2 (W-U)φ=0 1. 물질파를취급하는방정식 2. 파동역학, 양자역학완성 3. 물질입자의운동이밝혀짐 미시적및거시적계를계를포함하는일반적인역학역학법칙 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 43

44 입자의운동 불확정성원리 고전역학에서는위치 (position) 와운동량 (momentum) 에의해설명 양자역학에서는입자의위치를정확히결정할수없음 전자와같이매우작은입자의경우위치, 운동량, 에너지등의평균치 ( 기대치 ; expectation value) 로말해야한다. Heisenberg uncertainty principle 입자의위치와운동량의측정에있어, 두측정양의불확정성 (uncertainity) 관계 전자의위치나운동량각각은정확히측정가능하나어느한쪽은 희생됨 ( x x)( p ) 거시적현상 : 질량이커서불확정성원리가문제시안됨 미시적현상 : 질량이작아불확정성원리가실제로중요시되는현상 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 44

45 자유전자의운동 k = (8π 2 mw/h 2 ) = 2π/λ k 를파수라고함 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 45

46 상자중의자유전자 특별한경우 (e.g. V(x)=constant) 를제외하고대부분의실제 potential field 에대한파동방정식은풀기어렵다. Potential energy well with infinite boundaries Let us assume a particle is trapped in a potential well. V(x) = 0, 0 < x < L V(x) =, x = 0, L Applying these condition to the following equation 2 d ( x) 2 dx 2m [ E V( x)] ( x) 0 2 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 46

47 λ n = 2L/n 만허용 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 47

48 에너지고유치및고유함수 V (x) n 4 V (x) n 3 0 L E n n 2 E1 n 2 n 1 x 최소에너지가영이영이될수없다없다!! 0 L x 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 48

49 터널효과 Quantum mechanical tunneling A particle (or electron) passes through a barrier of finite height and thickness. 는장벽 (barrier) 의오른쪽에서어떤값을가지기때문에 * 는존재 장벽을넘어입자를발견할확률이있음을의미 Tunneling Phenomena 산화된알루미늄전선간에흐르는전류 방사성핵의붕괴알파입자의방출 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 49

50 Ⅱ영역이충분히얇다면 Ⅰ 영역의전자는 Ⅱ영역을통과하여 Ⅲ영역에도달할수있음 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 50

51 1.3 분자의성질 분자의형성 중성인원자와원자의결합으로형성 원자 : 원소의물질적구성단위 2 원자분자, 3 원자분자, 고분자 물질의성질을이해하는데는원자의성질보다분자의성질이더중요함 원자간에미치는힘 두원자가접근하게되면인력과반발력이작용 반발력은원자간의거리가가까워졌을때비로소발생하게되고거리가작아질수록급격히증가 스핀이같은수소원자 2 개는결합하지못하지만스핀이다르면결합할수있음 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 51

52 Van der waals 의힘과분자 불활성가스 자연조건하에서원자는단독으로존재 온도를낮춰결정으로만들수있음 분자결정 전기적으로중성인분자또는원자가결합하여만드는결정 분자결정을만드는힘은 van der waals 의인력 결합에너지는약하고융점이낮으며기체가되기쉬움 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 52

53 van der waals 전자운의중심과핵과의거리차는쌍극자모멘트를만듦 모든원자들과분자들사이에서는 Van der Waals- London force 라는약한인력이존재한다. 이는, 한원자의전자의배치와또다른원자의양전하를띤핵사이의순수한정전기적 (electrostatic) 인력때문이다. 외부전기장속에서원자는유도된쌍극자모멘트를생성하며분극된다. 분자가유효한쌍극자모멘트를가지고있다면, 즉음전하와양전하분포의일정한간격이있다면, 그분자는분극 (polarized) 되었다라고말한다. 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 53

54 H Cl A B (a) A (b) B (c) Fig. 1.11: (a) A permanently polarized molecule is called a an electric dipole moment. (b) Dipoles can attract or repel each other depending on their relative orientations. c Suitably oriented dipoles attract each other to form van der Waals bonds. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 54

55 공유결합 ( 전자대결합 ) 양쪽전자가동시에두원자의양쪽궤도에들어가에너지를저하시킴으로서이루어지는결합 Electron shell 1s H-atom H-atom 1s 결합력은대단히단단하며쪼개기힘들고전기적또는열적전도가작다 순도가높은것은전기적으로절연물 ( 저온에서 ) 이지만대부분반도체이다. Covalent bond H-H Molecule Fig. 1.4: Formation of a covalent bond between two H atoms leads to the H2 molecule. Electrons spend majority of their time between the two nuclei which results in a net attraction between the electrons and the two nuclei which is the origin of the covalent bond. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 55

56 Covalent bond H H H H H C L shell K shell H H C covalent bonds H (a) (b) H H C H (c) H Fig. 1.5: (a) Covalent bonding in methane, CH4, involves four hydrogen atoms sharing electrons with one carbon atom. Each covalent bond has two shared electrons. The four bonds are identical and repel each other. (b) Schematic sketch of CH4 on paper. (c) In three dimensions, due to symmetry, the bonds are directed towards the corners of a tetrahedron. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 56

57 이온결합 원자가전자를잃거나얻어서생긴 (+) 이온과 (-) 이온간의쿨롬인력에의해형성 전기적으로절연물 ( 단단한결합 ) 이지만고온이되면이온이이동하여이온전도가생김 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 57

58 Na Cl 3s 3s 3p Closed K and L shells (a) Closed K and L shells Cl- Cl- Na+ F A F A 3s 3p Na+ r (b) r o (c) Fig. 1.8: The formation of an ionic bond between Na and Cl atoms in NaCl. The attraction is due to coulombic forces. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 58

59 Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + (a) Fig. 1.9: (a) A schematic illustration of a cross section from solid NaCl. NaCl solid is made of Cl- and Na+ ions arranged alternatingly so that the oppositely charged ions are closest to each other and attract each other. There are also repulsive forces between the likeions. In equilibrium the net force acting on any ion is zero. (b) Solid NaCl. (b) From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 59

60 금속결합 본질적으로공유결합이지만금속결합은원자의대집단에서만존재 금속에서는전자대가원자간에고정되는것이아니고전자라는바다중에 (+) 이온인핵이질서정열하게배열된구조를가짐 Positive metal ion cores Free valence electrons forming an electron gas Fig. 1.7: In metallic bonding the valence electrons from the metal atoms form a "cloud of electrons" which fills the space between the metal ions and "glues" the ions together through the coulombic attraction between the electron gas and positive metal ions. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 60

61 수소결합 물분자는전기적으로중성이지만산소는 (-), 수소는 (+) 로되어쌍극자모멘트유기 다수의원자가모이면 (-) 전하인산소와 (+) 전하인수소가전기적인력을가짐으로수소원자가산소원자사이에끼이게됨 공유결합의일종 H H (a) O Fig. 1.12: The origin of van der Waals bonding between water molecules. (a) The H2O molecule is polar and has a net permanent dipole moment. (b) Attractions between the various dipole moments in water gives rise to van der Waals bonding. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) (b) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 61

62 1.4 열에너지와분자운동 기체의분자운동 기체의압력 P= /3<v 2 > 분자운동과온도 분자 1 개가갖는평균운동에너지 <Wk> 는 <Wk>= 3/2kT 상호작용하는다수분자의무질서한운동에서모든입자의평균운동에너지는질량에관계없이동일 열운동의운동에너지는절대온도에비례함 확산현상 농도가높은곳에서낮은쪽으로입자가이동하는현상 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 62

63 Square Container Face B Area A a v y Face A Gas atoms v x a a Fig.1.15: The gas molecules in the container are in random motion. From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 63

64 KE 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 64

65 1.5 고체의구조 고체 결정질 : 원자또는분자가공간적으로규칙바르게배열 비정질 : 원자또는분자가공간적으로불규칙하게배열 결정질 단결정 : 시료전체가규칙바르게주기적으로배열 다결정 : 다수의작은단결정이여러방위로집합된결정질 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 65

66 X 선회절과결정구조 결정의구조를알기위해서결정에 X- 선을조사하여회절상관찰 Bragg 의조건식 2d sinθ= nλ (n=1, 2, 3, ) X- 선조사 X- 선검출 θ P Q R d 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 66

67 결정면결정축표시법 결정면표시법 1. 그면과결정축과의교차점을구해서이들교차점을기본벡터의정수배로나타낸다. 2. 위에서구해진 3개의정수의역수를취하고이들의최소정수 h, k, l 을구한다. 3. 면 (hkl) 로표시한다. Miler indices Integer h, k, l 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 67

68 x intercept at a / 2 x z z intercept at x z Unit cell b a c y y intercept at b (a) Identification of a plane in a crystal (010) y (010) (010) x z (010) Miller Indices (hk ) : 1 1 / (210) y (010) (001) (110) (111) (100) z (111) y x -y y x -z (b) Various planes in the cubic lattice 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 68 z (110)

69 FCC Unit cell z (012) a y = -a z= 1 / 2 a O y a x (a)(012) plane a 2 a A = a 2 a A = a 2 2 (b)(100) plane (c) (110) plane 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 69

70 예제 ) 결정면을구하시오. 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 70

71 결정축표시법 3개의벡터성분의기본배수로나타내며, 최소의정수값으로표기 Crystal direction : [h k l] A set of all equivalent directions: <h k l> Ex. [100], [010], [001] <100> In cubic lattices, a direction [h k l] is perpendicular to the plane (h k l) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 71

72 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 72

73 [001] [111] [010] [100] [111] [111] [010] [111] [111] -y -a a [110] [110] x Directions in cubic crystal system y [111] [111] [111] [111] Family of <111> directions 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 73

74 Bravais 격자 ( 표 1.7, 그림 1.80 참조 ) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 74

75 Cubic ( 입방 ) 격자구조 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 75

76 다이아몬드구조 Diamond unit cell is formed by two interpenetrating fcc sublattices shifted with respect to each other by one forth of the body diagonal. fcc에서의각원자로부터 a/4 + b/4 + c/4에부가적인원자를가지는구조 Ex) C, Si, Ge 8 atoms/unit cell Atomic packing factor=34% 1 fcc fcc Covalent bonding, tetragonal unit, 4 nearest neighbors 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 76

77 Diamond structure a a/2 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 77

78 섬아연광 (zinc blend) 구조 기본적인 diamond 격자구조이지만구성원자가격자위치에교대로배치 III-V 족및대부분의화합물반도체결정구조 Ex) GaAs, InP 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 78

79 결정의불완전성 실재로결정들은불완전한성질을가짐 격자결함 원자공공 (Shottky 결함 : 그림 (a)) : 결정중의 1개의원자가자기위치를떠나결정의표면에존재 침입형결함 (Flenkel 결함 : 그림 (b)) : 결정격자를구성하는같은원자가결자사이에침입 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 79

80 불순물결함 異種의원자가격자점의원자에치환되어들어가거나결정격자사이에끼어들어가서생기는결함 Crowdion( 교재그림 1.87 참조 ) (a) A vacancy in the crystal. (b) A substitutional impurity in the crystal. The impurity atom is larger than the host atom. 알칼리금속중에는가장조밀한방향으로여분의원자가 1 개더들어가는경우 이런 1 열의결함 (c) A substitutional impurity in the crystal. The impurity atom is smaller than the host atom. (d) An interstitial impurity in the crystal. It occupies an empty space between host atoms. Fig. 1.44: Point defects in the crystal structure. The regions around the point defect become distorted; the lattice becomes strained. 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 80

81 고체내의전자의상태 Fermi level(e F ) 전자가존재하는최고의에너지준위 E E F Φ( 일함수 ) 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 81

82 강원대학교삼척캠퍼스전기공학과 82

Chapter 2

Chapter 2 2 장원자결합과물성 배워야할주요내용 원자결합의근원은무엇인가? 어떤원자결합이있는가? 각각의원자결합은재료로하여금어떤성질을나타내게하는가? 1 원자의구조 : 원자핵 ( 양성자 + 중성자 )+ 전자 최외각의원자가전자 (Valence electrons) 가재료의성질을좌우한다!!! 1) 화학적 2) 전기적 3) 열적 4) 광학적 2 전자구조 (electronic structure)