1. 전하(charge)란?
전하의 사전적 정의.
-> 물질이 가지고 있는 고유한 전기적 성질.
쉽게 생각하자.
수소 원자를 예로 들어보면 수소 원자 안에 핵이 있고 그 주변을 한개의 전자가 돌고 있다. 핵은 + 즉, 양의 성질을 가지고 있고 전자는 - 즉, 음의 성질을 가지고 있다. (전자를 왜 음의 전하로 정의했는지는 역사적 배경이 있지만 여기서는 넘어가도록 하자.) 이렇게 양과 음의 전기적인 성질을 띄고 있는 물질을 전하라고 한다. 간단히 원자핵은 양전하를 띄고 전자는 음전하를 띈다고 보면 된다.
그림 1. 수소 원자. 수소 원자핵은 양전하이고 그 주변을 돌고 있는 전자는 음전하이다.
2. 전압(voltage)이란?
아래는 전압의 사전적 정의이다.
-> 1 C의 전하가 1 J의 에너지를 얻거나 잃을 때의 전위차를 1 V로 정의한다.
어떤 단위에 대한 사전적 정의는 보통 머릿속으로 잘 와닿지가 않는다. 1 C의 전하는 어느정도의 양이고 1 J의 에너지는 어느정도의 에너지인가? 일단 넘어가고..
전압은 전위와 같은 말이다. 그리고 전위는 전기적 위치에너지라는 의미이다. (potential 이라고 한다.) 전자나 정공은 이 위치에너지에 의해 이동할 수 있는 힘을 받고 이것이 바로 전류가 흐르는 원리이다. 역시 간단히 생각하면 전자는 - 전하를 띄기 때문에 전압이 + 인 쪽으로 끌리게 되고 정공도 마찬가지로 - 전압으로 끌리게 된다.
그리고 반도체에서 전압과 같은(또는 비슷한) 의미로 쓰이는 단어들이 무척 많아서 여기서 한꺼번에 정리하겠다.
전압 = 전위 = 전위차 = 포텐셜 = 바이어스(bias) = 전계(electric field)
전계는 바로 뒤이어 설명하겠다.
3. 전계(electric filed)란?
전계의 사전적 정의.
-> 전계는 각 지점에서의 단위 전하가 전기적으로 받는 힘의 크기와 방향을 나타낸 것이다.
수식은 다음과 같다.
여기서 d는 전압이 걸린 어떤 물질의 두께이다.
Electric filed를 우리말로 풀어쓰면 전기장이고 전기적인 힘이 작용하는 어떠한 '공간' 이라는 뜻이다. 이것은 눈에 보이지 않는 어떠한 전기적 힘이 작용하는 곳으로 볼 수 있다. (반도체가 어려운 이유중 하나는 눈에 보이는게 없다는 점이 아닐까.) 또한 전계의 방향은 항상 + 에서 -로 이동한다.
나는 전계와 전압을 같은 의미로 본다. 전계는 단지 +에서 -로 가려는 방향성만 고려하면 된다.
예를 들어 한 캐패시터 소자에 10 V의 전압을 걸어주었다고 가정하자. 캐패시터 전도체 한쪽은 +10 V가 인가될 것이고 반대쪽 전도체에는 0 V (이는 상대적으로 - 전압이 인가되었다고 볼 수 있다. 전압은 무조건 상대적이다.)가 인가될 것이다. 그럼 외부에서 걸어준 전압에 의해 +에서 - 쪽으로 전계가 발생한다. 또한 인가된 전압에 의해 유전체 안에는 쌍극자가 발생하여 내부적으로도 전위차가 발생하여 내부 전계가 발생한다. (캐패시터편 참조). 그리고 당연한 얘기지만 전계는 + 에서 -로 가는 힘이니까 반대로 전자는 전계 방향의 반대로 움직일 것이다.
그림 2. 외부 전압이 인가되기 전과 (왼쪽) 외부 전압이 인가된 후 생성된 전계를 표시한 그림 (오른쪽)
반도체에서 모든 소자는 전계의 힘에 의해 동작한다. 오죽하면 트랜지스터중 가장 많이 쓰이는 MOSFET에서 FET의 약자가 field-effect transistor(전계효과 트랜지스터)일까.
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