01 그림에서 도체, 부도체, 반도체에 해당하는 에너지띠 구조를 옳게 선으로 연결하시오.

Ⅱ. 물질과 전자기장 / 2. 전자기장

21. 에너지띠 이론

소단원 문제

02 다음에서 설명하는 과학 용어들을 <보기>에서 골라 쓰시오.

	<보 기>
•원자가띠 •에너지띠 •전도띠 •띠틈 •양공

⑴ 어떤 전자도 있을 수 없는 에너지의 범위 (      )

⑵ 전자가 채워진 가장 바깥쪽 에너지띠 (      )

⑶ 수없이 많은 원자들의 에너지 준위가 겹쳐진 것

(      )

⑷ 원자가띠 위에 있는 비어 있는 띠 (      )

03 그림은 어떤 고체의 에너지띠 구조를 나타낸 것이다. A는 원자가띠와 (가) 사이의 에너지 간격이고, (나)는 원자가띠보다 에너지가 낮은 에너지띠이다.

이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① (가)는 전도띠이다.

② A는 띠틈이다.

③ A가 작은 고체일수록 전기 전도성이 좋다.

④ (나)에 있는 전자의 에너지 준위는 모두 같다.

⑤ 고체에 전류가 흐를 수 있도록 하는 자유 전자는 (가)

에 분포한다.

04 그림 (가), (나)는 기체 원자와 고체 원자의 에너지 준위를 순서 없이 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)에서는 에너지 준위가 양자화 되어 있다. ㄴ. (나)에서 허용된 띠에 있는 전자가 에너지를 흡수 하면 띠틈에 존재할 수 있다. ㄷ. (나)의 허용된 띠에 있는 전자의 에너지 준위는 모두 같다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

05 그림은 고체 A, B의 에너지띠 구조를 나타낸 것으로 A와 B는 도체와 부도체 중 하나이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. A는 부도체이다. ㄴ. 원자가띠에 있는 전자가 전도띠로 이동할 때 에너지 를 흡수한다. ㄷ. 원자가띠에 있는 전자는 띠틈으로 이동할 수 있다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

06 표는 절대 온도가 0K일 때 고체의 띠틈과 전기적 성질을 나타낸 것이고, 그림은 저마늄의 에너지띠 구조를 나타낸 것이다.

구분	띠틈 (eV)	전기적 성질
규소	1.14	반도체
다이아몬드	(가)	부도체

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)는 1.14eV보다 크다. ㄴ. 저마늄은 부도체이다. ㄷ. 저마늄의 원자가띠에 있는 전자가 0.67eV의 에너 지를 흡수하면 띠틈으로 이동할 수 있다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄷ

07 그림 (가)는 원자의 에너지 준위를 나타낸 것이고, (나)는 (가)의 원자들로 이루어진 고체의 에너지띠 구조를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (나)에서 원자가띠는 인접한 원자의 수가 많아짐에 따라 전자의 에너지 준위가 겹쳐져 형성된 것이다. ㄴ. (나)에서 전자는 띠틈에 해당하는 에너지를 가질 수 없다. ㄷ. 띠틈이 클수록 전기 전도성은 커진다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

08 그림 (가)는 고체 A, B의 에너지 띠 구조를 나타낸 것이고, (나)는 건전지에 전구를 연결한 회로를 나타낸 것이다. 스위치를 닫으면 전구에 불이 켜지고, X는 A와 B 중 하나이다.

(가)                       (나)

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. B는 도체의 에너지띠이다. ㄴ. X는 A이다. ㄷ. 스위치가 닫혀 있을 때, X의 원자가띠에 있는 전자는 띠틈으로 이동한다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

09 그림은 고체 A와 B의 에너지띠 구조를 모식적으로 나타낸 것이다. A와 B는 각각 도체와 반도체 중 하나이고, 색칠한 부분은 전자가 차 있는 에너지 준위를 나타낸다.

A, B 중 도체에 해당하는 것을 찾고, 그 이유를 띠틈을 이

용하여 설명하시오.

10 그림은 고체의 에너지띠를 형성하는 원자들의 에너지 준위를 나타낸 것이다.

돋보기로 확대한 그림이 어떤 의미를 가지는지 설명하시

오.

정답과 해설

01   ⑴ 도체: 가운데 그림    ⑵ 부도체: 맨아래 그림

⑶ 반도체: 맨위 그림     02 ⑴ 띠틈 ⑵ 원자가띠 ⑶ 에너지띠 ⑷ 전도띠 ⑸ 에너지 준위   03 ④   04 ①   05 ①   06 ①

07 ③  08 ②   09 ⑴ A가 도체   ⑵ 이유: 띠틈이 없어서 원자가띠의 전자들이 작은 에너지만 흡수해도 전도띠로 이동함.

01

고체의 에너지띠 구조에서 원자가띠에 있는 전자가 전도

띠로 잘 올라갈 수 있다면 전기 전도성이 좋아 전류가 잘 흐를 수 있게 된다. 이때 전도띠에 있는 전자는 자유롭게 움직일 수 있는 자유 전자이다. 따라서 전기 전도성이 높

은 도체는 원자가띠와 전도띠가 붙어 있어 띠틈이 없고, 반도체는 띠틈이 중간 정도이며, 부도체는 띠틈이 매우 크다.

02

⑴ 전도띠와 에너지띠 사이의 영역을 띠틈이라고 부른다. 이 영역에는 전자가 존재할 수 없다.

⑵ 고체를 이루는 원자들의 원자가 전자들이 가장 높은 에너지 상태에 있으므로 이들로 채워진 에너지띠가 에너

지가 가장 높다. 이를 원자가띠라고 한다.

⑶ 고체는 수없이 많은 원자들의 결합하여 이루어지므로 결합 하기 이전 원자들의 에너지 준위는 서로 같다. 이때 에너지 준위들은 배타 원리를 만족하면서 서로 겹치지 않

도록 미세한 차이로 갈라져서 띠를 형성하는데 이것을 에

너지띠라 한다.

⑷ 원자가띠 위에 있는 비어 있는 띠로 전자가 이동하면 전자가 자유롭게 움직일 수 있어 전류가 흐르게 된다. 이 띠를 전도띠라 한다.

03

④ 에너지띠에 있는 전자들은 배타 원리를 만족하면서 에너지값이 겹치므로 같은 값을 가질 수 없다.

① (가)는 원자가띠 위의 에너지띠이므로 전도띠이다. 전도띠에는 전자가 없다가 원자가띠에 있는 전자가 에너지를 흡수하여 이동하면 전류를 흐를 수 있게 하는 자유 전자가 있을 수 있는 띠이다.

오답 체크

② A는 전도띠와 에너지띠 사이의 영역이므로 띠틈이다.

③ 띠틈이 작을수록 원자가띠에 있는 전자가 작은 에너지

로도 전도띠로 이동할 있어 전류가 잘 흐를 수 있다. 따라서 띠틈이 작은 고체일수록 전기 전도성이 좋다.

⑤ (가)는 전도띠로 이 띠에 분포하는 전자는 작은 외부 전압에도 자유롭게 움직일 수 있어서 자유 전자라 한다.

04

ㄱ. 원자 내의 전자는 특정한 궤도에서만 안정하게 머물러 있을 수 있기 때문에 원자 내의 전자가 가질 수 있는 에

너지도 특정한 값만 갖게 된다. 따라서 에너지 준위는 양

자화 되어 있다.

ㄴ. 고체를 이루는 원자들의 수없이 많은 에너지 준위들이 미세한 차이를 두고 분포하여 전자가 가질 수 있는 에너지띠인 ‘허용된 띠’가 만들어지고 이 허용된 띠와 띠 사이의 간격이 띠틈이다. 따라서 띠틈에 해당하는 에너지는 전자가 가질 수 없는 에너지이므로 전자는 에너지를 흡수, 방출하더라도 띠틈에 존재할 수 없다.

오답 체크

ㄷ. 허용된 띠는 고체를 이루는 수없이 많은 원자들의 에

너지 준위가 배타 원리를 만족하면서 서로 겹치지 않도록 미세한 차이로 갈라지므로 동일한 상태의 에너지를 갖지 못한다.

05

ㄴ. 전도띠는 원자가띠보다 높은 에너지 준위들이 미세한 차이를 두고 분포한 띠이므로 원자가띠에 있는 전자가 전

도띠로 이동하기 위해서는 최소 띠틈만큼의 에너지를 흡

수 하여야 한다.

ㄱ. A의 에너지띠에서 원자가띠와 전도띠가 붙어 있어 띠틈이 없다. 따라서 원자가띠에 있는 전자가 전도띠로 조금의 에너지만 흡수하여도 잘 이동할 수 있으므로 도체의 에너지띠이다.

오답 체크

ㄷ. 띠틈에 해당하는 에너지는 전자가 가질 수 없는 에너

지이므로 전자는 띠틈으로 이동하거나 띠틈에 머무를 수 없다.

06

ㄱ. 부도체인 다이아몬드의 띠틈은 반도체인 규소의 띠틈

보다 크다. 따라서 (가)는 1.14eV보다 크다.

ㄴ. 저마늄의 띠틈은 0.67`eV이므로 반도체인 규소의 띠틈보다 작고 0이 아니므로 반도체이다.

오답 체크

ㄷ. 원자가띠와 전도띠 사이의 간격인 띠틈은 원자가띠에 있는 전자가 전도띠로 이동하기 위해 흡수해야 할 최소 에너지이다. 따라서 저마늄의 원자가띠에 있는 전자가 0.67eV의 에너지를 흡수하면 전도띠로 이동한다.

전자가 에너지를 흡수, 방출하더라도 띠틈으로 이동할 수

는 없다.

07

ㄱ. 원자핵이 1개일 때에는 (가)처럼 에너지 준위들이 선으로 명확하게 구분되며, 원자핵이 많아지면 (나)처럼 에너지 준위들이 겹치거나 인접하여 띠를 형성한다.

ㄴ. 띠틈은 에너지띠와 띠 사이의 간격으로 전자들이 존재할 수 없는 영역이다.

ㄷ. 띠틈이 작을수록 전자가 원자가띠에서 전

오답 체크

도띠로 전이되기 쉽다. 즉, 띠틈이 작을수록 전기 전도

성이 좋다.

08

ㄱ. 띠틈이 없는 A는 도체, 띠틈이 넓은 B는 부도체의 에너지띠 구조이다. □ 보기 ㄱ은 틀린 진술

ㄴ. 스위치를 닫았을 때 전구가 켜졌으므로 X는 도체이다. □ 보기 ㄴ은 옳은 진술

ㄷ. 도체를 건전지에 연결하면 원자가띠의 전자들이 에너

지를 흡수하여 전도띠로 이동한다. □ 보기 ㄷ은 틀린 진

술

09

정답 키워드

도체의 에너지띠 구조

모범답안_ ⑴ A가 도체 ⑵ 이유: 띠틈이 없어서 원자가띠의 전자들이 작은 에너지만 흡수해도 전도띠로 이동함.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	도체가 A임을 밝히고 그 이유를 바르게 설명 한 경우	100
B	도체가 A임을 맞혔으나 그 이유가 불분명한 경우	50

10

정답 키워드

에너지 준위의 양자화

모범답안_ 전자의 에너지 준위가 연속적으로 이어져 있는 것

처럼 보이는 에너지띠를 확대해 보면 에너지 준위가 미세한 차

이를 두고 분포함을 알 수 있다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	에너지띠가 에너지의 양자화에 위배되지 않음 을 바르게 설명한 경우	100
B	돋보기 확대도의 의미를 제대로 설명하지 못한 경우	0