눈에 보이지 않는 것, 즉 움직이고 멈추고 물처럼 공간을 채우는 전자가 그 수위를 찾는 것에서 반도체 물리학이 시작됩니다.
고체에서는 그들의 행동이 무작위가 아닙니다.
아무도 볼 수 없지만 모두가 의존하는 규칙을 따릅니다.
페르미 준위, 상태 밀도, 운반자 수 등 추상적으로 들리지만 함께 물질이 전도되는 이유, 어떤 사람은 저항하는 이유, 다른 사람은 아무것도 하지 않는 이유를 설명합니다.
전자가 어디에 머물지, 어디로 갈지 결정하기 때문에 모든 칩, 모든 전선, 모든 전류의 깜박임이 존재합니다.
페르미 레벨
페르미 준위는 실제 세계에 그릴 수 있는 선은 아니지만 모든 것을 결정합니다.
전자를 찾을 확률이 정확히 절반인 조용한 균형점입니다.
그 위에는 대부분의 상태가 비어 있습니다.
그 아래에는 원자가 채워져 있습니다.
실리콘을 도핑할 때 원자만 추가하는 것이 아니라 그 수준을 위아래로 이동시켜 물질의 호흡 방식을 변화시킵니다.
금속의 경우 원자가 높은 곳에 위치하여 전자가 쉽게 흐를 수 있도록 합니다.
절연체에서는 전자가 깊숙이 숨어 전자를 제자리에 고정합니다.
페르미 준위는 움직이지 않고 움직이며 모든 불순물, 모든 온도 변화, 모든 외부 필드에 적응합니다.
마치 보이지는 않지만 모든 것을 형성하는 물질을 관통하는 생각과 같습니다.
상태 밀도
모든 물질에는 전자가 살 수 있는 고유한 환경이 있습니다.
어떤 물질은 전자에게 충분한 공간을 제공하고 다른 물질은 거의 없습니다.
상태 밀도가 특정 에너지에서 전자가 얼마나 많은 공간을 확보할 수 있는지 알려줍니다.
간단한 아이디어이지만 무게가 실립니다.
금속의 경우 환경이 넓고 연속적입니다.
반도체에서는 공간이 좁아져 밴드 가장자리를 정의하는 간격이 남습니다.
절연체에는 침묵—상태도 없고 움직임도 없습니다.
우리가 설명하기 위해 그리는 곡선은 그래프 그 이상이며 가능성의 초상화입니다.
온도가 상승하고 압력이 변하면 결정이 구부러지면 곡선의 모양도 달라집니다.
전도도, 즉 물리적인 것이 전자가 얼마나 많은 공간을 차지하고 있는지에 대한 이야기라고 생각해볼 수 있습니다.
캐리어 농도
캐리어 농도는 얼마나 많은 전자나 정공이 자유롭게 이동할 수 있는지 등 간단하게 들리지만 복잡성의 층을 숨깁니다.
온도에 따라 도핑과 함께 변화하며 평형 상태에서 가장 작은 교란을 일으킵니다.
하나의 공식이 이 모든 것을 연결합니다.
전자와 정공 농도의 곱은 주어진 온도에서 일정하게 유지됩니다.
단순한 규칙이지만 지금까지 만들어진 모든 칩에 적용되는 규칙입니다.
반도체를 가열하면 더 많은 캐리어가 깨어납니다.
반도체를 식히면 잠이 듭니다.
농도를 조정할 때마다 신호가 얼마나 빨리 움직이고, 밝은 LED가 빛나는지, 메모리 셀이 전하를 유지하는 방식이 달라집니다.
수학은 깨끗해 보이며 현실은 소음, 함정, 표류로 가득합니다.
그럼에도 불구하고 불완전한 숫자로도 세상이 어디로 향하고 있는지 알 수 있기 때문에 모델링합니다.
아마도 고체 물리학이 어려웠던 이유는 이러한 이론이 수학적 용어로만 설명되기 때문일 것입니다.
그러나 조금 집중해보면 그 속에 숨은 간단한 이론을 발견할 수 있습니다.
이 과학은 채우고, 비워두고, 조정하는 것들에 대한 균형을 바탕으로 구축된 과학입니다.
페르미 준위가 변화하고, 상태 밀도가 재구성되며, 운반자가 증식하고 사라지지만 시스템은 안정적으로 유지할 수 있는 방법을 찾습니다.
때로는 가득 차고, 때로는 비어 있지만 항상 올바른 수준을 찾는 등 자신의 세계와 균형을 유지하려는 사람들과 같은 조용한 지속성입니다.