1-2. 자유 전자 vs 속박 전자
"없는 것"이 움직인다고?
앞 절에서 우리는 에너지 밴드라는 열쇠로 금속, 절연체, 반도체의 차이를 이해했다. 밴드갭의 크기가 전자의 운명을 결정한다는 것을 알게 되었다.
그런데 한 가지 기묘한 이야기를 예고했었다. 반도체의 가전자대에서 전자 하나가 빠져나가면, 남겨진 "빈자리"가 마치 입자처럼 행동한다고 했다. 존재하지 않는 것이 어떻게 입자가 될 수 있을까?
이 이야기를 하기 전에, 먼저 더 기본적인 질문부터 풀어보자.
같은 "전자"인데, 왜 구리 속의 전자는 자유롭게 돌아다니고, 다이아몬드 속의 전자는 꼼짝도 못 할까? 그리고 반도체 속의 전자는 어떤 상태에 있는 걸까?
지금까지의 이야기 — 밴드갭이 결정한 것
이전 절에서 우리는 이것을 배웠다:
- 고체 속 전자의 에너지는 연속적인 띠(밴드)를 이루며, 밴드 사이에는 전자가 존재할 수 없는 밴드갭이 있다
- 밴드갭이 없으면 금속, 매우 크면 절연체, 적당히 작으면 반도체
하지만 "밴드갭이 크다/작다"만으로는 부족하다. 전자 개인의 입장에서 무슨 일이 벌어지는지를 더 자세히 들여다보자. 같은 고체 안에서도 전자의 운명은 둘로 갈린다 — 자유 전자와 속박 전자이다.