실제 고체 결정은 완벽한 결정 구조를 가지지 않으며, 여러 형태의 결함과 불순물을 포함합니다. 이러한 결함과 불순물은 물질의 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 아래에서 고체 내의 주요 결함과 불순물에 대해 나누어 정리하겠습니다.
고체 내 결함 (Imperfections in Solids)
고체 내 결함은 크게 원자 수준에서 미세하게 나타나는 결함부터 좀 더 넓은 영역에서 나타나는 구조적 결함까지 다양한 형태를 가지고 있습니다. 다음은 대표적인 결함들의 설명입니다.
(1) 원자의 열적 진동 (Atomic Thermal Vibration)
- 실제 결정에서 원자들은 이상적인 위치에 고정되지 않고, 일정한 진동을 하고 있습니다.
- 이 진동은 온도가 높아질수록 더 커지며, 원자들이 규칙적인 위치에서 벗어나게 만듭니다.
- 이러한 진동은 격자 진동(Lattice Vibration) 또는 포논(Phonon)이라 불립니다.
(2) 점 결함 (Point Defects)
점 결함은 단일 원자 수준에서 발생하는 결함입니다. 점 결함의 주요 종류는 다음과 같습니다.
- 공공 결함 (Vacancy Defect)
격자 내 원자가 있어야 할 위치에 원자가 비어있는 결함입니다. - 침입형 결함 (Interstitial Defect)
격자의 정상적인 위치 사이에 원자가 추가로 존재하는 결함입니다. - 프렌켈 결함 (Frenkel Defect)
공공 결함과 침입형 결함이 가까이 있어 결합된 형태로 나타난 결함입니다.
(3) 선 결함 (Line Dislocation)
- 원자들이 일정한 선(line)을 따라 결핍되거나 추가되어 발생하는 결함입니다.
- 결정의 구조를 크게 교란하며, 특히 기계적 특성에 중요한 영향을 줍니다.
고체 내 불순물 (Impurities in Solids)
고체 내 불순물은 결정 내부에 존재하는 이물질 원자로, 결정 구조에 따라 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.
- 치환형 불순물 (Substitutional Impurity)
정상적인 격자 위치에 다른 종류의 원자가 대신 자리 잡고 있는 경우입니다. - 침입형 불순물 (Interstitial Impurity)
격자점 사이 공간에 다른 원자가 추가로 존재하는 형태입니다.
불순물은 물질의 전기적 특성에 매우 중요한 영향을 미치며, 특히 반도체의 경우 특정 불순물을 의도적으로 첨가하여 원하는 전기적 특성을 얻을 수 있습니다. 이를 도핑(Doping)이라고 하며, 주로 확산법(Diffusion) 또는 이온 주입법(Ion Implantation)을 사용하여 이루어집니다.
