옴의 법칙 : V=IR. 전류 I는 단위 시간에 통과하는 전하량. R은 전류 흘러가는 재료의 저항. V는 인가전압. R은 시편 형상에 따라 달라지나 비저항 p는 재료 고유의 값. 저항 = 비저항 * 길이 / 단면적. 전기전도도는 재료의 전류 흐름성 척도이며 비저항의 역수.
금속은 비저항이 10^-7 정도의 도체. 반도체는 10^-4~6 , 부도체(insulator)은 10^10~20.
전자 에너지 밴드 : 고립된 원자들이 서로 가까워질 때 파울리 배타 원리에 의해 전자 에너지 준위가 서로 갈라짐. 이로써 에너지 밴드가 형성되고 밴드간에 갭 형성. s밴드는 N개의 에너지 준위. p밴드는 3N개의 에너지 준위.
페르미에너지는 0K에서 전자가 채위지는 가장 높은 에너지 준위에 해당하는 에너지.
고체 내의 전기적 특성은 전자 밴드 구조에 의하여 달라짐. 금속은 전자가 페르미에너지보다 높은 준위의 빈 준위로 여기되기에 매우 적은 에너지 소요. 따라서 높은 전도도. 절연체와 반도체는 가전자대의 맨 위 쪽에 근접해있는 빈 준위가 없어 밴드 갭 에너지만큼의 여기 에너지를 받아야 자유전자가 됨. 여기에너지는 열 또는 빛 에너지로 가능하며 일반적으로 열의 경우가 많다.
전자이동도 : 전기장이 주어질 때 자유전자의 흐름에 마찰력이 존재. 마찰력에는 불순물, 공공, 침입형 원자, 전위, 심지어 포논(열진동) 있다. 이러한 변수들에 의해 전자의 유동 속도 vd는 전자이동도 u와 전기장 E의 곱으로 나타내어짐.
금속에 있어서 결정 결함의 증가는 전기 전도의 산란 중심체 역할. 금속 시편의 온도, 조성, 냉간 가공의 정도에 따라 결함의 농도 달라짐.
메티슨의 법칙 : 비저항total = 비저항t + 비저항I + 비저항d. 각각 열진동, 불순물, 냉간가공. 온도 증가에 따라 열진동과 공공 증가(원자 불규칙성) 형성.
진성반도체 : 보통 2eV 이하의 작은 밴드갭 에너지로 형성된 물체. 화합물 반도체에서 두 원소가주기율표 상에서 멀리 떨어질수록 이온 결합성이 증가하여 밴드갭 에너지 증가. Si는 1.11eV 전도도는 자유전자와 정공의 이동에 따라서 nqu와 hqu의 합으로 표현됨. 반도체에서 전자와 정공은 격자 결함에 의해 산란되기 쉬워 공정 정밀 제어 필요
외인성 반도체에는 n형과 p형이 있음. n형은 5족에 속하는 P, As, Sb안티모니 등의 5개의 원자가 불순물 도핑에 의해 형성. 결합되지 않는 1개의 전자는 0.01eV의 매우 작은 결합에너지로 인해 자유전자가 된다. p형은 Al, B, Ga와 같이 3족에 속하는 원소.
외인성 반도체는 세 가지 구간으로 나뉨. 1 동결온도구간에서는 전하운반자들이 원자들에 얼어붙어있어 전자농도 매우 적음. 2 외인성 온도 구간에는 불순물에서의 이온화 농도만큼의 전자농도 유지. 3 진성온도구간에는 온도 증가에 따라 EHP 농도가 불순물 농도를 뛰어넘어 기하급수적 증가.
홀효과 : 전하가 움직이는 방향에 수직으로 자기장 가해질 때에 자기장과 입자 진행 방향에 수직으로 힘이 생겨남. F=B X I. 다수캐리어가 어떤 것인지를 홀계수R로 알 수 있고 전자이동도 값 측정 가능.
다이오드 : 전류를 한쪽방향으로만 흐르게 하는 소자. 단결정 재료로 이루어진 p,n형 반도체 접합. (다결정은 결정립에 전자 흐름 방해). p형에 +, n형에 – 연결하면 순방향 바이어스. 중앙 부위에 EHP 결합이 일어나 결핍층(depletion zone) 형성하고 전류가 결핍층 영역을 통해 흐를 수 있음.
트랜지스터는 전기신호를 증폭시키고, 정보를 처리하거나 저장하는 스위칭 소자로 사용됨. 접합 트랜지스터와 MOSFET으로 나누어짐. MOSFET은 게이트와 소스, 드레인으로 구성. 게이트에 가해지는 전기장을 변화시켜 소스와 드레인 사이의 전류량 조절.
이온 재료 전도도는 전자와 이온에 의한 전도도의 합. 어느 성분이 더 우세한지는 재료, 순도, 온도에 의해 결정. 이동도 u는 각 이온 종과 다음의 관계 u = n * e * D / k T
유전체는 전기적으로 절연 특성(비금속)을 가지면서 전기 쌍극자 구조를 보이는 재료. 전기장이 일으키는 쌍극자의 반응으로 커패시터로서 사용됨.
커패시턴스 C는 전하량Q / 인가전압V. 단위는 패럿(F.farad). C = e0erA/l. er은 유전상수로서 1보다 큰 값. 두 판 사이에 유전체 물질이 끼워짐으로써 전하의 저장 능력이 커짐을 의미. 전기쌍극자모멘트p는 쌍극자전하량q와 두 전하거리d의 곱. 음전하에서 양전하로 향하는 벡터. – > +.
전기장이 가해져 쌍극자가 전기장과 방향을 맞춰 정렬하게 되는데 이를 분극(polarization)이라 함.
D=eE=e0E + P. D는 유전변위라 하며 단위는 C/m^2. e0는 진공에서의 유전율로 8.85nF/m. MLCC의 경우 C는 e0*er*A/l 로 계산
분극의 유형에는 전자분극, 이온분극, 배향분극. 전자분극은 모든 원자에 유도됨. 전기장이 가해지는 동안에 음전하 전자군의 중심이 이동함에 따라 형성. 이온분극은 이온 재료에서만 일어나며 양이온과 음이온의 상대적인 위치 이동에 의해 형성. 배향분극은 영구 쌍극자 모멘트 소유 물질에서만 발견. 외부 전기장 방향으로 쌍극자 모멘트가 회전하므로 형성.
전자분극 P = Pe + Pi + Po.
이완주파수(relaxation frequency) : 교류 전류에 의하여 분극이 계속해서 바뀔 때, 분극 유형에 따라서 재배열하는 최소 시간이 각각 다름. 이완 주파수는 최소 재배열 시간의 역수값. 쌍극자에 가해주는교류 주파수가 이완 주파수보다 클 때는 배열 방향을 못 따라가서 유전상수 값이 감소. 배향분극 > 이온분극 > 전자분극 순으로 유전상수가 감소한다.
유전손실 : 교류전압 가해질 때 유전체 물질에 의해 전기에너지가 열에너지로 흡수되는 것. 이완주파수 부근에서 크게 일어남. 낮은 유전 손실이 바람직.
절연 내력 (유전파괴) : 유전체 재료에 아주 높은 전기장 부과될 때, 수 많은 전자가 전도대 안으로 여기됨. 이는 국부적인 재료의 손상 또는 파괴 일으킴. 절연파괴강도(breakdown voltage)는 절연파괴를 일으키는 데에 필요한 전기장의 세기. Void는 유전상수가 낮을 뿐더러 유전체 재료에의 전기장 세기를 증가시키므로 유전파괴를 부르는 결함.
BaTiO3 : 수많은 세라믹과 고분자가 절연체 또는 커패시터에 사용됨. 유리, 자기, 운모 등 일반적인 세라믹의 유전상수는 6~10의 유전상수. BaTiO3는 상온에서 5000 정도의 유전상수 가지며 10000까지의 유전상수 보유. 강유전체(Ferroelecctric)로서 분극의 크기가 전기장에 따라서 히스테리시스를 나타냄. 이는 산소이온과 티타늄 이온의 상대적 위치에 기인. 산소 이온은 각 면의 중심에서 약간 아래에 위치. 티타늄 이온은 단위정 중심에서 약간 위쪽 위치. 영구 쌍극자들사이에서 서로 같은 방향으로 정렬하려는 상호작용이 생겨 재료의 자발적 분극 형성. 매우 높은 유전상수로 인해 커패시터를 소형화 가능케함.
압전성(piezoelectricity) : 외부에서 물리적 힘 가해지면 시편에 분극이 유도되어 전기장 형성. 외부 힘 방향 바꿀 시에 전기장의 방향도 바뀜. BaTiO3나 PbZrO3 등…