전류와 전자
- 전하 (Charge, Q) : 어떤 물질이 가지고 있는 전기의 양이다. 참고로 전하는 숫자처럼 '인위적으로 만들어낸 개념'에 불과하다는 것을 기억하기 바란다. 다만, '전하'를 중심으로 전기를 연구하다 양성자와 전자를 발견했으므로 실체와 본질은 양성자와 전자에 있다고 지금은 일단 그렇게 생각해두자. 이런 개념적인 특성을 가진 전하를 양으로 표현하고자 할 때 우리는 전하량이라고 부르고 국제단위로는 쿨롱(coulomb), C이다. 쿨롱의 단위는 매우 크다.
매우 크지 않은가? 우린 방금 배웠으니 이렇게 말할 수 있다. 1[C]은 6.25*10^-18개의 양성자 또는 전자의 전하량을 나타내는구나. 그럼 우린 응용도 할 수 있다. 양성자 또는 전자 한 개의 전하량은 어떻게 될까?
어렵게 생각할 것 없이 그렇다. 역수를 취해주면 양성자 또는 전자 한 개의 전하량은 위와 같다. 이 값에 대해 우리는 e라고 정의한 것이고 기본전하량, 전기 소량이라고 부른다.
양성자와 전자 한 개의 전하량은 같지만 부호는 다르다. 단지 양성자는 양전하이므로 +이고 전자는 음전하이므로 -의 부호를 갖는다.
이 정도면 양성자와 전자에 대해 어느정도 안 것 같다. 하지만 물질부터 하나하나 파헤쳐보면, 무언가가 빠진 것 같다. 밑에 그림을 한번 보자.
그렇다. 원자 = 원자핵(양성자 + 중성자) + 전자에서 중성자가 빠져있다. 중성자는 전기적인 힘으로는 쓸 필요가 없기 때문이다. 따라서 그냥 앞으로 반도체를 학습하며 전기에 대해 다룰 것이므로 원자에는 양성자와 전자만 있다고 생각하자.
위에 보는 그림이 원자들의 입자배치인데 앞으로 우리는 청록색인 중성자는 없다고 보기로 한 것이다. 또 그림에서 알 수 있듯이 이런 원자마다 원자핵(양성자)을 중심으로 갖는 전자의 개수가 모두 다르다. 수소원자는 1개 헬륨 원자는 2개 리튬 원자는 3개인데, 반도체를 학습하며 중요한 것은 최외각 전자의 개수이다. 최외각 전자는 가장 가장자리에 있는 전자로 수소원자는 1개 헬륨 원자는 2개 리튬 원자는 1개이다.
여기서 Q. 어떠한 원자가 1개의 양성자와 1개의 전자로 구성되어 있다면 그 원자의 총 전하량은 몇일까?
바로 0[C]이다. 이해가 안 된다면 전하 파트부터 한번 다시 보는 것을 추천한다.
전하에 대해 어느정도 이해가 되었다고 가정하고 전류와 캐리어의 개념에 대해 먼저 보자.
- 전류 (Current, I) : 전하의 흐름을 크기와 방향으로 설명하는 것이다.
- 캐리어 (Carrier) : 전하를 옮기는 물질을 의미하고 전자 정공이 이에 해당한다.
단순히 이렇게만 정의한다면 이해가 어려울 수 있다. 따라서 비눗물이 담겨있는 댐을 생각해 보도록 하자.
비눗물에서 비누에 해당하는 것이 전하(Charge, Q)이다.
그럼 전류는 무엇일까? 화살표 방향대로 흘러갔을 때 단위 시간당 비누가 얼마나 흐르는가를 나타내는 것이 전류이다. 기호로는 따라서 전류 (Current, I)는 공식으로 I=Q/t 가 되는 것이다.
그렇다면 캐리어는? 상식적으로 비누 자체가 반대로 넘어갈 수는 없다. 비누를 흐르게 할 수 있는 어떤 것이 필요하다. 그림에 해당하는 것은 물이다. 물이 비누를 흐르게 할 수 있도록 해준다. 전기에서는 물과 같은 역할을 하는 것을 캐리어(Carrier)라고 부른다.
캐리어에는 전자와 정공 (electron & hole)이 있다. 전자에 대해서는 서두에 설명이 되었으므로 정공에 대해서만 간략히 짚고 넘어가자. 정공은 전자와 반대되는 개념으로써 가상의 물질이다. 일단 정공을 전자가 이동하고 나서 남아 구멍이 난 부분이라고 이해하면 쉽다. 양성자와 다르다는 것을 확실히 해두자.
전자의 에너지, 전압과 전계
에너지 = 포텐셜 에너지(위치에너지) + 운동 에너지
단위 전하 한 개의 포텐셜 에너지 : 전하의 전하량 (q) x 전하의 전기적 위치 (전위)
전위차 : 전기적 위치의 차이, 전압 / 따라서 전압은 상대적임을 꼭 기억하자
전계(Electric field) : 전위의 밀도, 전기장
캐리어는 전위차(전압)에 의해 힘을 받는 것이 아니라 전계(전기장)에 의해 힘을 받는다. 전계(전기장)가 거리의 개념까지 포함되어 있기 때문이다.
우리는 왼쪽 그림과 오른쪽 그림에서 캐리어가 떨어진다고 했을 때 에너지는 왼쪽이 크다고 할 수 있다. 같은 전위에서도 밀도가 다르기 때문이다.
바로 아래의 그림을 보면 이해가 좀 더 쉬울텐데 빨간색 기울기를 나타내는 부분이 전계(전기장)로 결국 전계가 걸렸을 때 캐리어에 힘을 실어준다. 전압을 걸어주는 것도 중요하지만 거리의 개념이 포함된 전계(전기장)가 훨씬 중요하고 그것이 실질적인 힘이다.
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