전자·자성·광학 재료
밴드 이론의 기초, 금속과 반도체의 전기 전도도, 마티센 규칙, 홀 효과, 강자성과 히스테리시스, 연자성과 경자성, 굴절·흡수·발광을 3지선다 문제로 확인할 수 있습니다.
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전자·자성·광학 재료 핵심 정리
물질의 전기적 성질은 밴드 구조로 이해할 수 있습니다. 금속은 페르미 준위에 비어 있는 준위가 연속적으로 있어 전기가 잘 통하며, 온도가 올라가면 격자 진동에 의한 산란으로 비저항이 증가합니다. 반도체는 전기 전도도 σ = neμ를 도핑으로 크게 바꿀 수 있으며, 진성 영역에서는 온도가 올라감에 따라 비저항이 낮아집니다. 금속의 비저항은 마티센 규칙에 따라 격자 진동 성분과 불순물 성분으로 나누어 생각합니다.
강자성체는 퀴리 온도 이하에서 자발 자화를 가지며, 히스테리시스 루프의 형태에 따라 용도가 정해집니다. 보자력이 작은 연자성 재료는 변압기나 모터의 철심에, 보자력이 큰 경자성 재료는 영구 자석에 사용됩니다. 광학적 성질에서는 굴절률과 반사율, 흡수 계수, 직접 천이와 간접 천이의 차이가 중요합니다.
전자·자성·광학 재료 문제 목록(12문제)
- 도너 농도가 1.0×10¹⁶ cm⁻³인 n형 실리콘(상온, 도너는 모두 이온화)의 비저항에 가장 가까운 것은 무엇인가? 전자의 이동도는 1350 cm²/(V·s), 기본 전하량은 1.60×10⁻¹⁹ C로 하고, 정공의 기여는 무시한다.
- 온도를 올렸을 때 전기 비저항의 변화로 옳은 조합은 무엇인가? 반도체는 진성 영역에 있다고 한다.
- 순수 구리의 격자 진동에 의한 비저항이 300 K에서 1.70 µΩ·cm, 77 K에서 0.20 µΩ·cm이다. 불순물을 첨가하여 온도와 무관한 잔류 비저항이 0.40 µΩ·cm가 된 구리 합금의 비저항 비 ρ(300 K)/ρ(77 K)는 마티센 규칙에 따르면 무엇에 가장 가까운가?
- 마그네슘은 가전자를 2개 가지며, 3s 궤도로 이루어진 밴드는 원자당 2개의 전자로 정확히 채워진다. 그런데도 마그네슘이 금속이 되는 이유로 옳은 것은 무엇인가?
- 홀 효과의 측정으로 알 수 있는 것으로 옳은 것은 무엇인가?
- 강자성체인 철을 퀴리 온도(약 770℃)보다 높은 온도로 가열하면 자성은 어떻게 되는가?
- 변압기의 철심에 적합한 연자성 재료의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?
- 어떤 철심 재료의 히스테리시스 루프 면적(1주기당 손실)이 50 J/m³이다. 부피 0.010 m³의 철심을 50 Hz 교류로 사용할 때의 히스테리시스 손실에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 소자 상태의 강자성체에 외부 자기장을 가해 서서히 강하게 할 때, 자화가 진행되는 원리로 옳은 것은 무엇인가?
- 공기 중에서 굴절률 2.4인 투명한 물질(다이아몬드에 가까움)의 표면에 빛이 수직으로 입사할 때, 표면에서의 반사율에 가장 가까운 것은 무엇인가? 흡수는 무시한다.
- 흡수 계수가 1.0×10⁴ cm⁻¹인 재료로 된 두께 1.0 µm의 막에 빛을 비출 때, 막을 투과하는 빛의 비율에 가장 가까운 것은 무엇인가? 표면에서의 반사는 무시하고, I = I₀exp(−αx)로 한다.
- 실리콘이 발광 다이오드의 발광 재료로 거의 쓰이지 않는 주된 이유는 무엇인가?