PHYSICS ELECTRONIC · DIT3003

물리전자
중간고사 학습 노트

영어 문제를 읽고, 한글로 풀어내기.
핵심 개념과 영어 용어를 연결해 시험에 대비합니다.

1–8주차 전체 범위퀴즈 풀이 10문항자가점검 20문항영어 문제 · 한글 풀이
퀴즈부터 복습하기 ↗
13개 자료를 연결한 통합 정리18개 복습 체크포인트24개 핵심 공식 관계

박스를 누르면 원리 설명·예제·영어 확인문제가 있는 상세 페이지로 이동합니다.

00

시험 범위와 공부 순서

Scope and study plan

양자역학에서 출발해 원자 결합, 결정, 반도체 밴드로 이어지는 흐름을 먼저 잡습니다.

핵심 개념

범위는 폴더의 1~8주차 전체

사용자가 지정한 폴더의 강의 PDF 11개와 퀴즈 정답 DOCX 2개를 반영했습니다. 오리엔테이션은 평가 방식 확인에만 사용하고, 학습 내용은 양자역학부터 8주차 도핑까지 정리했습니다. 중복되는 2주차 두 파일도 함께 확인했습니다.

우선순위의 의미: 아래의 “퀴즈 확인”은 제공된 퀴즈에서 실제로 물은 내용입니다. 이후 단원도 모두 시험 범위이며, 출제 확률이나 시험 문제를 예측한 표시는 아닙니다.

구간포함 내용학습 목표
1~2주차광전효과, 보어 모형, 연산자, 슈뢰딩거 방정식, 1D·유한 우물공식이 나오는 과정을 쓴다
3~4주차터널링, 3D 상자, 수소 원자, 양자수, LCAO경계조건·양자수·오비탈을 연결한다
5~6주차반도체 재료, 결정구조, FCC, 밀러 지수구조를 구분하고 기하 문제를 푼다
7~8주차역격자, Bloch 정리, Bragg 산란, 밴드, 유효질량, 정공·도핑E–k 그림을 해석하고 말로 설명한다
자세한 설명과 예제
복습 순서

먼저 완성할 답안 6가지

  1. 보어 모형: 힘의 평형 + 각운동량 양자화 → rₙ ∝ n².
  2. 평면파를 미분해 운동량·에너지 연산자를 얻고 슈뢰딩거 방정식에 연결.
  3. 1D 무한 우물: 일반해 → 경계조건 → k 양자화 → 에너지 → 정규화.
  4. 3D 상자: 곱으로 변수분리 → E = Eₓ + Eᵧ + E_z → (1,1,1) 바닥상태.
  5. H₂: 같은 위상/반대 위상, 핵 사이 마디 유무, σ₁s의 반대 스핀 전자 2개.
  6. 후반 범위: 결정구조 → 역격자 → Bloch → 경계에서 밴드갭 → 직접/간접 갭·정공.
자세한 설명과 예제
핵심 개념

시간에 맞춘 복습 경로

시간이 충분할 때

01~09 개념을 순서대로 읽고 각 단원의 “직접 설명” 질문에 답합니다. 10에서 퀴즈 풀이를 가린 채 재현한 다음, 11의 새 문제로 조건 변화에 대응하는지 확인합니다.

시험 직전 30분

12의 공식표 10분 → 10의 유도·오비탈 그림 10분 → 08·09의 Bloch, 밴드갭, 유효질량, 도핑 비교 10분. 틀린 항목은 아래 체크리스트에 남겨 다시 봅니다.

공부 완료 표시는 이 브라우저에 저장됩니다. 파일 열기 환경에서 저장이 제한되어도 읽기·풀이 보기·계산 기능은 사용할 수 있습니다.

자세한 설명과 예제
EN

영어 문제 독해와 핵심 용어

영어로 조건과 요구사항을 읽고 한글 답안으로 연결합니다.

시험 독해 전략

영어로 읽고 한글로 답하는 연습

영어 문제에서 대상·조건·요구 동사를 찾은 뒤, 유도와 설명은 한글로 씁니다. 제공 퀴즈 10문항과 추가 연습 20문항은 영어를 먼저 표시하고 한국어 해석은 접어 두었습니다. 답안·해설은 한글입니다.

읽는 순서: 무엇을 다루는가 → 어떤 조건인가 → 무엇을 하라는가. 예를 들어 “If the width … is doubled”는 “폭 L만 2L로 바뀐다”는 조건이고, “the ground-state energy becomes”는 “E₁의 변화 비율을 구하라”는 요구입니다.

함께 구별: bound state는 우물에 갇힌 결합상태, bonding orbital은 분자를 안정화하는 결합 오비탈입니다. stationary state는 정상상태, standing wave는 정상파입니다. band와 bond도 다른 단어입니다.

자세한 설명과 예제
Command words and conditions

문제의 지시 동사와 조건 표현

영어 표현뜻한글 답안에서 할 일
derive / explain the derivation유도하라 / 유도 과정을 설명하라출발 식, 대입, 경계조건, 최종 식을 순서대로 쓴다.
show how … arise from ……로부터 …가 어떻게 얻어지는지 보여라주어진 함수를 미분해 연산자 식으로 연결한다.
write down식을 써라필요한 식과 적용 조건을 명시한다.
solve / determine / obtain풀어라 / 구하라 / 얻어라미지수·허용값을 계산하고 단위나 양자수를 함께 제시한다.
illustrate / sketch그림으로 나타내라 / 개략도를 그려라축, 준위 이름, 위상·마디, 전자 배치를 필요한 만큼 표시한다.
assume / consider가정하라 / 다음 상황을 생각하라문제의 출발 조건을 읽는다. 아직 답을 요구하는 동사가 아닐 수 있다.
using / starting from…을 이용하여 / …에서 출발하여지정한 방법·식으로 유도를 시작한다.
compare / explain비교하라 / 설명하라같은 비교 기준을 쓰고 물리적 이유를 한글로 설명한다.
proportional to / inversely proportional to…에 비례 / 반비례지수까지 확인한다. n²과 1/n²를 구별한다.
is doubled / is halved / by a factor of두 배가 됨 / 절반이 됨 / …배만큼변하는 변수만 바꾸고 나머지 조건은 고정해 비율을 구한다.
confined in / with side length L / otherwise…안에 갇힌 / 한 변 L인 / 그 밖에서는영역과 길이를 먼저 표시한다. side length는 반폭이 아니다.
allowed / corresponding / respectively허용된 / 대응하는 / 각각허용 양자수인지 확인하고 대상과 결과를 같은 순서로 짝짓는다.
자세한 설명과 예제
Exam vocabulary

빛·보어 모형 핵심 영한 용어

English한국어
photon광자
photoelectric effect광전효과
work function일함수
threshold frequency문턱 주파수
light intensity빛의 세기
maximum kinetic energy최대 운동에너지
orbital radius궤도 반지름
angular momentum각운동량
quantized / discrete양자화된 / 이산적인
emission / absorption방출 / 흡수
자세한 설명과 예제
Exam vocabulary

파동함수·방정식 핵심 영한 용어

English한국어
wavefunction / plane wave파동함수 / 평면파
probability amplitude / density확률진폭 / 확률밀도
normalize / normalization정규화하다 / 정규화
complex conjugate복소켤레
momentum / energy operator운동량 / 에너지 연산자
time-independent / stationary state시간 독립 / 정상상태
eigenvalue / eigenfunction고유값 / 고유함수
boundary condition경계조건
separation of variables변수분리
continuous / derivative연속적인 / 도함수
자세한 설명과 예제
Exam vocabulary

우물·터널링 핵심 영한 용어

English한국어
infinite / finite potential well무한 / 유한 퍼텐셜 우물
potential barrier / barrier height퍼텐셜 장벽 / 장벽 높이
width / thickness / side length폭 / 두께 / 한 변의 길이
ground state / excited state바닥상태 / 들뜬상태
bound state결합상태: 우물에 갇힌 상태
node / internal node마디 / 내부 마디
even / odd state짝 / 홀 상태
incident / reflected / transmitted입사한 / 반사된 / 투과한
transmission / reflection coefficient투과율 / 반사율
exponential decay / thick-barrier approximation지수 감쇠 / 두꺼운 장벽 근사
자세한 설명과 예제
Exam vocabulary

원자·결합 핵심 영한 용어

English한국어
degenerate / degeneracy축퇴된 / 축퇴도
principal quantum number주양자수 n
azimuthal quantum number궤도양자수 l
magnetic quantum number자기양자수 m_l
spin quantum number스핀 양자수; 투영은 m_s와 구별
shell / subshell / orbital껍질 / 부껍질 / 오비탈
bonding / antibonding orbital결합 / 반결합 오비탈
same phase / opposite phase같은 위상 / 반대 위상
orbital overlap / energy splitting오비탈 겹침 / 에너지 분리
Pauli exclusion principle / opposite spins파울리 배타 원리 / 반대 스핀
자세한 설명과 예제
Exam vocabulary

결정·역격자 핵심 영한 용어

English한국어
lattice / basis / unit cell격자 / 기저 / 단위격자
primitive vector / lattice constant기본벡터 / 격자상수
face-centered cubic (FCC)면심입방
coordination number / packing factor배위수 / 충진율
Miller indices / intercepts밀러 지수 / 축 절편
interplanar spacing면간거리
reciprocal lattice / wavevector역격자 / 파동벡터
periodic potential / phase factor주기 퍼텐셜 / 위상인자
Bragg scattering / standing waveBragg 산란 / 정상파
Brillouin zone / zone boundaryBrillouin 영역 / 영역 경계
자세한 설명과 예제
Exam vocabulary

밴드·운반자 핵심 영한 용어

English한국어
valence band / conduction band가전자대 / 전도대
direct / indirect bandgap직접 / 간접 밴드갭
phonon / momentum conservation포논 / 운동량 보존
curvature / group velocity곡률 / 군속도
effective mass유효질량
hole / electron–hole pair정공 / 전자–정공 쌍
intrinsic / extrinsic semiconductor진성 / 외인성 반도체
doping / donor / acceptor도핑 / 도너 / 억셉터
majority / minority carriers다수 / 소수 운반자
filled / empty / partially filled가득 찬 / 빈 / 부분적으로 찬
자세한 설명과 예제
Korean answer starters

한글 답안의 출발 문장

유도 문제: “우물 내부의 퍼텐셜은 0이고, 양 끝의 파동함수는 0이다. 일반해에 경계조건을 적용하면…”

오비탈 그림: “결합 오비탈은 같은 위상끼리 보강 간섭하여 핵 사이의 전자밀도가 증가한다. 반결합 오비탈은 핵 사이에 마디가 생긴다.”

비교 문제: “직접 갭은 전도대 최저점과 가전자대 최고점의 k가 같다. 간접 갭은 k가 달라 포논이 운동량 차이에 관여한다.”

한글 답안에 필요한 수식·양자수·준위 기호를 함께 쓰면 됩니다. 영어 문장 전체를 외우기보다 문제의 영어 표현을 물리 조건으로 바꾸는 연습을 합니다.

자세한 설명과 예제
01

빛과 전자 · 보어 모형

Light, electrons, and the Bohr model

광자의 에너지, 물질파, 원자 에너지 준위가 왜 연속적이지 않은지 이해합니다.

원문 대조 보완

흑체복사와 플랑크의 양자 가설

Blackbody radiation · Planck’s hypothesis · energy quanta

뜨거운 물체가 방출하는 열복사 스펙트럼을 설명하는 과정에서 양자 개념이 도입되었습니다. 강의의 흑체복사 그림에서 고전 이론의 곡선은 짧은 파장 쪽에서 실제 스펙트럼과 맞지 않습니다. 플랑크는 진동자의 에너지 교환이 연속적인 임의 값이 아니라 hν의 정수배 단위로 일어난다고 보았습니다.

En = nhν,   ΔE = hν
강의의 플랑크 양자화 표현. 광자 한 개의 에너지는 hν이며 nhν는 n개 양자에 해당하는 에너지입니다.

그림에서는 온도가 높아질수록 복사량이 커지고 최대값의 파장이 짧아집니다. 흑체복사 → 에너지 양자 가설, 광전효과 → 빛의 광자성, 전자 간섭 → 물질의 파동성을 연결해 구별합니다. 플랑크 분포의 상세 유도는 제공 슬라이드에 없으므로 추가 암기 대상으로 넣지 않았습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 1_Quantum Mechanics.pdf · PDF 4~8쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

광전효과는 빛의 양자화를 보여준다

Photoelectric effect · photons · work function · threshold frequency

금속에서 전자가 나오려면 광자 하나의 에너지가 일함수 W 이상이어야 합니다. 강도를 높이면 주로 광자 수와 방출 전자 수가 늘고, 주파수를 높이면 전자의 최대 운동에너지가 증가합니다.

Eγ = hν = hcλ = ℏω
Kmax = hν − W,   ν₀ = Wh
강의 표기 W = qΦ. q는 양의 기본전하 크기이며, W와 hν는 같은 에너지 단위로 비교.

자주 틀리는 설명: ν < ν₀이면 입문적인 단일 광자 광전효과에서는 빛의 세기를 높여도 전자가 방출되지 않습니다. “강도 증가 → 전자 1개의 에너지 증가”로 쓰지 않습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 1_Quantum Mechanics.pdf · PDF 4~8쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

물질파와 불확정성

Wave–particle duality · de Broglie wavelength · uncertainty principle

λ = hp,   p = ℏk,   k = 2πλ,   E = ℏω
Δx · Δpx ≥ ℏ2,   ℏ = h2π

전자도 간섭과 회절을 보이는 파동적 성질이 있습니다. 파동함수로 기술하는 위치·운동량 분포에는 본질적인 불확정성이 있습니다. 단순히 측정 장비의 성능 부족을 뜻하지 않습니다.

에너지–시간 관계를 읽는 법

강의에는 ΔE·Δt ≥ ℏ/2도 제시됩니다. 시간은 위치와 같은 일반적인 관측 연산자로 취급하지 않으므로, Δt는 해당 과정의 특성 시간이나 수명 등 문맥에 맞게 읽습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 1_Quantum Mechanics.pdf · PDF 8~9쪽 / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation.pdf · PDF 4~6쪽

자세한 설명과 예제
퀴즈 1 · 실제 출제

보어 반지름 유도

Bohr radius · Coulomb force · centripetal force · quantization

  1. 수소 원자의 원운동을 가정하고 쿨롱 힘과 구심력의 크기를 같게 둡니다.
    mₑv²r = q²4πε₀r²
  2. 각운동량 양자화 조건 mₑvr = nℏ에서 v = nℏ/(mₑr)를 얻습니다.
  3. 이를 힘의 식에 대입합니다.
    n²ℏ²mₑr³ = q²4πε₀r²
  4. r에 대해 정리하면 다음과 같습니다.
    rₙ = 4πε₀ℏ²mₑq² n² = a₀n²
    a₀ ≈ 0.0529 nm. 수소를 가정하며 원자핵 질량을 무한대로 보는 근사. 소문자 n은 양의 정수.

조건 변화: n이 2배이면 반지름은 4배입니다. 양자역학의 오비탈은 보어 모형의 확정된 원형 궤도와 다른 개념입니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx / PE_Lecture Note_Week 1_Quantum Mechanics.pdf · PDF 12~13쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

수소의 에너지와 선스펙트럼

Energy levels · emission spectrum · transition

Eₙ = −13.6 eVn²,   hν = |Ei − Ef|

에너지 기준은 전자가 핵에서 무한히 멀리 떨어져 정지해 있는 상태의 0입니다. 결합 상태의 에너지는 음수이며, n이 커질수록 0에 가까워집니다. 높은 준위에서 낮은 준위로 내려가면 광자를 방출합니다.

계열도착 준위대표 영역
Lymann_f = 1자외선
Balmern_f = 2가시광선의 대표 선
Paschenn_f = 3적외선
1λ = RH (1nf² − 1ni²),   ni > nf
수소의 방출선. R_H는 리드베리 상수.

직접 설명: 원자에서 연속 스펙트럼이 아닌 선스펙트럼이 나오는 이유는? → 허용 에너지가 이산적이어서 준위 차이도 특정 값만 가능하기 때문입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 1_Quantum Mechanics.pdf · PDF 10~13쪽 / PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 11쪽

자세한 설명과 예제
02

파동함수와 슈뢰딩거 방정식

Wavefunctions and the Schrödinger equation

고전 에너지 식을 연산자로 바꾸고, 경계조건에 맞는 고유함수를 찾습니다.

핵심 개념

파동함수는 확률진폭

Wavefunction · probability amplitude · probability density · normalization

ρ = Ψ*Ψ = |Ψ|²,   P(a ≤ x ≤ b) = ∫ab |ψ(x)|² dx
∫전체 공간 |Ψ|² dτ = 1,   ⟨Q⟩ = ∫ Ψ* Q̂ Ψ dτ

ψ 자체는 음수나 복소수일 수 있지만 확률밀도 |ψ|²는 0 이상입니다. 한 점의 확률밀도와 구간에서 찾을 확률은 구별합니다. 1차원 정규화 파동함수의 단위는 길이−1/2입니다.

일반적인 유한 퍼텐셜·일정 질량 문제에서는 ψ와 dψ/dx를 경계에서 연속으로 연결합니다. 무한 장벽에서는 ψ = 0을 적용하며, 유한 경계의 도함수 연속 조건을 장벽 바깥까지 기계적으로 적용하지 않습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation.pdf · PDF 6, 12쪽 / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation_2nd.pdf · PDF 9쪽

자세한 설명과 예제
퀴즈 1 · 실제 출제

평면파에서 연산자 얻기

Plane wave · momentum operator · energy operator

Ψ(x,t) = A ei(kx − ωt)
  1. 공간 미분: ∂Ψ/∂x = ikΨ. 양변에 −iℏ를 곱하면 (−iℏ∂/∂x)Ψ = ℏkΨ = pΨ.
  2. 시간 미분: ∂Ψ/∂t = −iωΨ. 양변에 iℏ를 곱하면 (iℏ∂/∂t)Ψ = ℏωΨ = EΨ.
p̂x = −iℏ ∂∂x,   Ê = iℏ ∂∂t,   p̂x² = −ℏ² ∂²∂x²

부호 확인: (−i)² = −1이므로 운동에너지 항 앞에 마이너스가 붙습니다. 강의의 j는 이 정리본의 i와 같은 허수단위입니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation.pdf · PDF 6~7쪽

자세한 설명과 예제
퀴즈 1 · 유도 필수

시간 의존식에서 정상상태 식까지

Time-dependent / time-independent equation · eigenvalue · eigenfunction

E = p²2m + V
iℏ ∂Ψ∂t = [−ℏ²2m ∇² + V] Ψ
시간 의존 슈뢰딩거 방정식. ∇² = ∂²/∂x² + ∂²/∂y² + ∂²/∂z².

V가 시간에 의존하지 않을 때 Ψ(r,t) = ψ(r)e−iEt/ℏ로 변수분리하면 공간 부분은 다음 식을 만족합니다.

Ĥψ = Eψ,   −ℏ²2m ∇²ψ + Vψ = Eψ
−ℏ²2m d²ψdx² + V(x)ψ = Eψ
1차원 시간 독립 슈뢰딩거 방정식

해석: E는 고유값, ψ는 그 에너지에 대응하는 고유함수입니다. 같은 E에 서로 다른 독립적인 ψ가 대응할 수도 있으며 이를 축퇴라고 합니다. 정상상태에서는 |Ψ|² = |ψ|²로 확률밀도가 시간에 따라 변하지 않습니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation.pdf · PDF 7~8쪽 / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation_2nd.pdf · PDF 3~5, 12쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

자유전자

Free electron · zero potential energy

V = 0,   ψ = Aeikx,   E = ℏ²k²2m

자유공간의 평면파는 전 공간에 걸쳐 있어서 그 자체를 일반적인 상자 속 정규화 함수처럼 다루지 않습니다. 핵심은 E가 k²에 비례하는 포물선이고, 아직 벽의 경계조건이 없어서 n으로 양자화되지 않는다는 점입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation_2nd.pdf · PDF 4쪽 / PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 6쪽

자세한 설명과 예제
03

1D 무한 퍼텐셜 우물

One-dimensional infinite potential well

시험 답안은 퍼텐셜, 경계조건, 일반해, 양자화, 정규화 순서로 씁니다.

퀴즈 1 · 실제 출제

유도 전체를 한 번에 재현하기

General solution → boundary conditions → quantized energy → normalization

V(x) = 0 (0 < x < L),   V = ∞ (그 밖)
  1. 우물 안에서 ψ″ + k²ψ = 0, k = √(2mE)/ℏ. 일반해는 ψ = A sin(kx) + B cos(kx).
  2. 왼쪽 경계 ψ(0) = 0에서 B = 0.
  3. 오른쪽 경계 ψ(L) = 0에서 sin(kL) = 0. 따라서 kL = nπ.
  4. n = 0이면 ψ가 모든 곳에서 0이 되어 입자를 나타낼 수 없으므로 n = 1,2,3,…만 허용.
  5. 정규화 ∫₀ᴸ A² sin²(nπx/L) dx = A²L/2 = 1로 A = √(2/L).
ψₙ(x) = √2L sin(nπxL),   Eₙ = n²π²ℏ²2mL² = n²h²8mL²

ψ는 우물 바깥에서 0입니다. 전체 부호나 전체 위상은 확률밀도를 바꾸지 않습니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation.pdf · PDF 9~12쪽 / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation_2nd.pdf · PDF 6~9쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

비례관계와 그래프 해석

Scaling relations · ground state · internal nodes · energy spacing

변화·특징결과이유
L → 2LEₙ → Eₙ/4E ∝ L⁻²
m → 2mEₙ → Eₙ/2E ∝ m⁻¹
n → 2nE → 4EE ∝ n²
바닥상태n = 1, E₁ > 0n = 0은 영함수
내부 마디 수n − 1개경계의 0은 내부 마디에서 제외
에너지 간격Eₙ₊₁ − Eₙ = (2n+1)E₁상수 간격이 아님

n = 1의 확률밀도는 중앙에서 최대입니다. n = 2는 중앙에 마디가 있습니다. ψ의 음수 구간도 |ψ|²에서는 양수로 바뀝니다. 좌우 대칭 때문에 모든 정상상태에서 ⟨x⟩ = L/2입니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx / PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation.pdf · PDF 11~12쪽

자세한 설명과 예제
직접 확인

우물의 폭과 양자수를 바꿔 보기

전자 질량 mₑ를 가정합니다. 가로축은 x/L, 세로축은 무차원 ψ√L과 |ψ|²L입니다. 이 좌표에서는 폭 변화가 에너지에 미치는 효과를 분리해 볼 수 있습니다.

자세한 설명과 예제
이해를 돕는 추가 연습

확률 적분 예제

보충 연습: 바닥상태에서 우물 왼쪽 절반에 있을 확률을 구합니다.

P(0 < x < L/2) = 2L ∫0L/2 sin²(πxL) dx = 12

이 결과는 대칭으로도 알 수 있습니다. “중앙의 확률밀도가 가장 크다”는 사실이 “왼쪽 절반 확률이 1/2보다 크다”는 뜻은 아닙니다.

자세한 설명과 예제
04

유한 우물과 양자 터널링

Finite potential wells and quantum tunneling

E보다 높은 장벽 안에서는 파동함수가 진동 대신 지수함수 형태가 됩니다.

핵심 개념

유한 우물은 벽 밖으로 꼬리가 나온다

Finite potential well · bound state · even / odd parity · decaying tail

우물 내부 V = 0, 외부 V = V₀, 결합상태 0 < E < V₀를 생각합니다. 내부는 sin·cos, 외부는 무한대에서 발산하지 않는 감쇠 지수함수입니다. ψ와 ψ′를 이어 붙이면 허용 E가 결정됩니다.

k = √(2mE)ℏ,   κ = √[2m(V₀ − E)]ℏ

좌표 기준을 통일: 강의 그림의 우물이 0~L일 때, ξ = x − L/2로 중심을 옮기고 반폭 b = L/2를 쓰면 다음 짝·홀 조건을 적용할 수 있습니다.

짝함수: ψ ∝ cos(kξ),   k tan(kb) = κ
홀함수: ψ ∝ sin(kξ),   −k cot(kb) = κ

강의의 tan(ka), cot(ka)에서 a는 중심 좌표계의 반폭으로 읽어야 합니다. 터널링 식에서 장벽 전체 폭으로 쓰는 a와 혼동하지 않도록 여기서는 반폭을 b로 표시했습니다. 같은 폭의 무한 우물보다 결합 준위가 낮아지며, 결합상태의 개수는 유한합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation_2nd.pdf · PDF 10~11쪽 / PE_Lecture Note_Week 3_Quantum Tunneling.pdf · PDF 2~3쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

유한 장벽의 세 영역과 경계조건

Potential barrier · incident / reflected / transmitted wave · continuity

0~a에 V₀인 장벽이 있고 양쪽은 V = 0, 0 < E < V₀이며 왼쪽에서 입사한다고 둡니다.

ψI = Aeikx + Be−ikx   (x < 0)
ψII = Ceκx + De−κx   (0 ≤ x ≤ a)
ψIII = Feikx   (x > a)

A는 입사파, B는 반사파, F는 투과파 계수입니다. 오른쪽에서 오는 입사파는 없다고 가정합니다. 장벽 내부는 유한한 구간이므로 증가·감쇠 지수항을 모두 포함합니다.

ψI(0) = ψII(0),   ψ′I(0) = ψ′II(0)
ψII(a) = ψIII(a),   ψ′II(a) = ψ′III(a)

장벽 반대편에도 파동함수가 존재하여 투과확률이 0이 아닐 수 있습니다. 터널링 동안 전체 에너지 E는 보존됩니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Quantum Tunneling.pdf · PDF 4~7쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

투과율은 폭과 장벽 높이에 민감

Transmission coefficient · thick-barrier approximation

T = |F|²|A|² = [1 + V₀² sinh²(κa)4E(V₀ − E)]−1
양쪽 퍼텐셜과 질량이 같아 입사·투과 속도가 같은 경우. 일반적으로는 확률전류의 비로 정의.
κa ≫ 1:   T ≈ 16E(V₀ − E)V₀² e−2κa

두꺼운 장벽 근사에서는 a 증가, V₀ − E 증가, m 증가에 따라 투과율이 지수적으로 작아집니다. E가 장벽 꼭대기에 매우 가까우면 κa ≫ 1이 깨질 수 있으므로 근사식을 그대로 쓰지 않습니다. 손실 없는 정지 장벽에서는 R + T = 1입니다.

계산 예: m = mₑ, V₀ = 1 eV, E = 0.2 eV. 위의 정확식을 사용합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Quantum Tunneling.pdf · PDF 7~8쪽

자세한 설명과 예제
원문 대조 보완

경계조건에서 터널링 투과율까지 연결하기

Coefficient matching · incident amplitude · transmitted amplitude

장벽 오른쪽의 x = a에서 ψ와 ψ′를 연결해 장벽 내부 계수를 먼저 표현합니다.

Ceκa = F eika2(1 + ikκ),   De−κa = F eika2(1 − ikκ)

이를 왼쪽 경계 A+B=C+D, ik(A−B)=κ(C−D)에 대입하면 강의의 계수 관계가 나옵니다.

AF = eika[cosh(κa) + i2(κk − kκ)sinh(κa)]

|eⁱᵏᵃ| = 1과 cosh²z − sinh²z = 1을 사용하면 다음과 같이 정리됩니다.

|A|²|F|² = 1 + (κ²+k²)²4κ²k² sinh²(κa) = 1 + V₀²4E(V₀−E) sinh²(κa)

같은 퍼텐셜·질량을 갖는 장벽 양쪽에서는 투과율 T가 위 식의 역수입니다. 최종식뿐 아니라 “어느 경계에서 어떤 계수를 제거하는지”를 설명할 수 있게 연습합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Quantum Tunneling.pdf · PDF 7~8쪽

자세한 설명과 예제
05

3D 상자와 수소 원자

Three-dimensional box and hydrogen atom

경계의 모양과 퍼텐셜에 따라 양자수와 에너지 식이 달라집니다.

퀴즈 2 · 실제 출제

3D 정육면체 우물의 변수분리

Cubic infinite well · separation of variables · allowed energy levels

0 < x,y,z < L에서는 V = 0, 그 밖에서는 ∞입니다. ψ(x,y,z) = X(x)Y(y)Z(z)를 대입하고 XYZ로 나눕니다.

−ℏ²2m (X″X + Y″Y + Z″Z) = E

각 항은 서로 독립인 변수 하나에만 의존하므로 각각 상수 Eₓ, Eᵧ, E_z가 됩니다.

−ℏ²2mX″ = EₓX,   −ℏ²2mY″ = EᵧY,   −ℏ²2mZ″ = E_zZ
E = Eₓ + Eᵧ + E_z

X(0) = X(L) = 0이고 Y, Z도 양 끝에서 0입니다. 각 축에 1D 무한 우물의 해를 적용합니다.

Enₓnᵧn_z = π²ℏ²2mL² (nₓ² + nᵧ² + n_z²)
ψ = (2L)3/2 sin(nₓπxL) sin(nᵧπyL) sin(n_zπzL)
nₓ, nᵧ, n_z = 1,2,3,…
바닥상태: (1,1,1),   E₁₁₁ = 3π²ℏ²2mL² = 3h²8mL²

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx / PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 3~7쪽

자세한 설명과 예제
그림 읽기 · 표기 보완

축퇴는 같은 에너지에 다른 상태가 있다는 뜻

Degeneracy · degenerate states · first excited state

nₓ²+nᵧ²+n_z²양자수공간 축퇴도
3(1,1,1)1
6(2,1,1), (1,2,1), (1,1,2)3
9(2,2,1), (2,1,2), (1,2,2)3
11(3,1,1), (1,3,1), (1,1,3)3
12(2,2,2)1

표는 에너지 식으로 정리한 낮은 준위이며 스핀을 제외합니다. 강의 3주차 Hydrogen Atom 7쪽의 (2,2,1) 옆 “11”은 제곱합 4+4+1 = 9와 맞지 않습니다. 해당 묶음은 9로 읽어야 합니다.

정육면체가 직육면체가 되면 E = (π²ℏ²/2m)(nₓ²/Lₓ² + nᵧ²/Lᵧ² + n_z²/L_z²)로 바뀌어 단순한 순열 축퇴가 일반적으로 풀립니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 6~7쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

수소 원자는 구면좌표에서 변수분리

Hydrogen atom · spherical coordinates · radial / angular equation

V(r) = −q²4πε₀r,   ψ(r,θ,φ) = R(r)Θ(θ)Φ(φ)

정육면체 상자의 벽 대신 구면 대칭 쿨롱 퍼텐셜을 사용합니다. φ방향의 단일값 조건에서 자기양자수, θ방향의 유한한 해에서 궤도양자수, r방향의 정상적인 결합 해에서 주양자수와 에너지가 정해집니다.

d²Φdφ² + ml²Φ = 0,   Φ ∝ eimlφ
1sinθddθ(sinθ dΘdθ) + [l(l+1) − ml²sin²θ]Θ = 0
1r²ddr(r² dRdr) + [2μℏ²(E + q²4πε₀r) − l(l+1)r²]R = 0
μ는 전자와 원자핵의 환산질량. 입문 근사에서는 μ ≈ mₑ.

수소 에너지 Eₙ은 비상대론적 쿨롱 모형에서 n에만 의존합니다. 3D 상자의 에너지가 nₓ²+nᵧ²+n_z²에 의존하는 것과 구별합니다. 위 세 방정식은 강의의 변수분리 구조를 확인하기 위한 식입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 8~11쪽 / PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 2쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

양자수와 오비탈 수

Principal / azimuthal / magnetic / spin quantum number · shell · subshell

양자수허용값의미
주양자수 n1,2,3,…주껍질·수소 에너지
궤도양자수 l0,1,…,n−1부껍질·모양 (s,p,d,f)
자기양자수 m_l−l,−l+1,…,l궤도 각운동량의 z성분·방향
스핀 자기양자수 m_s+1/2 또는 −1/2스핀의 z성분 S_z = m_sℏ
|L⃗| = ℏ√[l(l+1)],   L_z = mlℏ

전자 자체의 스핀 양자수 s는 1/2로 고정이고 m_s가 ±1/2입니다. 강의의 “s = ±ℏ/2” 표기는 스핀 투영값 S_z를 나타내는 것으로 구별해 읽습니다. 오비탈의 +/− 표시는 파동함수의 위상이며 전하의 부호가 아닙니다.

부껍질l공간 오비탈 수 2l+1전자 최대 수
s012
p136
d2510
f3714

한 공간 오비탈에는 반대 스핀 전자 최대 2개. n번째 껍질의 공간 오비탈 수는 n², 전자 최대 수는 2n²입니다. 예: n = 2에는 2s 하나와 2p 세 개, 총 4개 오비탈과 최대 8개 전자입니다. Stern–Gerlach 실험은 각운동량 투영의 이산성을 보여줍니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 12~14쪽 / PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 3쪽

자세한 설명과 예제
원문 대조 보완

수소의 방사방정식 치환과 에너지 고유값

Radial equation · reduced mass · energy eigenvalue

강의의 방사방정식에서 u(r) = rR(r)로 치환하면 r²에 의한 미분 항을 다음 형태로 정리할 수 있습니다.

d²udr² + [2μℏ²(E + q²4πε₀r) − l(l+1)r²]u = 0
En = −μq⁴2(4πε₀)²ℏ²1n² ≈ −13.6 eVn²

μ = mₑmₚ/(mₑ+mₚ)는 수소의 환산질량입니다. 정규화 가능하고 정상적인 경계 거동을 갖는 해만 허용하여 n이 양의 정수가 됩니다. 정육면체 상자의 E ∝ nₓ²+nᵧ²+n_z²와, 수소의 E ∝ −1/n²를 구별합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 9~11쪽

자세한 설명과 예제
원문 대조 보완

s · p · d · f 오비탈 그림 읽기

Orbital shape · orientation · lobes · phase

부껍질그림에서 구별할 점공간 오비탈 수
s구면 대칭. 1s, 2s, 3s는 같은 모양 계열이지만 방사 방향 분포가 다름1
p대표적인 실수 오비탈 pₓ,pᵧ,p_z는 두 로브가 각각 x,y,z 방향을 향함3
d다수는 네 로브. d_z²는 두 로브와 고리 모양으로 구별5
f더 복잡한 로브 구조. 강의 그림은 모양·방향과 7개 상태를 연결7

같은 부껍질의 여러 그림은 전자의 실제 궤적이 아니라 서로 다른 공간 오비탈을 나타냅니다. 로브의 색이나 +/−는 파동함수의 위상이며 전하의 부호가 아닙니다. pₓ,pᵧ,p_z 같은 실수 오비탈은 자기양자수 고유함수의 선형결합으로 표현할 수 있습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 14쪽 / PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 3쪽

자세한 설명과 예제
06

원자 결합과 LCAO

Bonding and linear combination of atomic orbitals

두 원자의 준위가 갈라지는 과정은 많은 원자의 에너지 밴드로 이어집니다.

원문 대조 보완

수소 분자 이온 H₂⁺의 방정식

Hydrogen molecular ion · two nuclei · one electron

H₂⁺는 핵 두 개와 전자 한 개입니다. 원자핵 위치를 고정하면 전자는 두 핵에 의한 인력을 동시에 받으며, 강의의 전자 방정식은 다음과 같습니다.

[−ℏ²2mₑ∇² − q²4πε₀(1r + 1r′)]ψ = Eψ
r′ = √(r² + R² − 2rR cosθ)
r과 r′는 전자에서 각 핵까지의 거리, R은 핵 사이 거리입니다.

수소 원자의 구면 대칭 문제와 달리 두 중심의 퍼텐셜을 가지므로 해가 복잡해집니다. 이 때문에 원자 오비탈의 선형결합으로 분자 오비탈을 근사하는 LCAO로 이어집니다. 고정된 핵 사이의 반발 q²/(4πε₀R)은 이 전자 방정식에 쓰인 E와 분자의 전체 에너지를 구별할 때 더해지는 상수입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 15쪽 / PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 4쪽

자세한 설명과 예제
퀴즈 2 · 실제 출제

결합·반결합 오비탈을 정확히 그리기

Bonding / antibonding orbital · constructive / destructive interference · node

ψ₊ = N₊(φA + φB),   ψ₋ = N₋(φA − φB)
구분결합 σ₁s반결합 σ*₁s
위상같은 위상의 합반대 위상의 조합
간섭·핵 사이보강 간섭·전자밀도 증가상쇄 간섭·마디 형성
에너지기준 원자 준위보다 낮음기준 원자 준위보다 높음
H₂ 바닥상태 점유반대 스핀 전자 2개비어 있음
결합 오비탈은 두 핵을 하나의 같은 위상으로 감싸며, 반결합 오비탈은 반대 위상의 두 로브 사이에 마디면이 있다.
제공 Quiz 2 정답의 오비탈 모식도 · +/−는 위상, 점은 핵의 위치
H₂ 분자 오비탈 준위도. 원자 1s 두 개가 낮은 결합 σ1s와 높은 반결합 σ별1s로 나뉘고, 결합에 반대 스핀 전자 두 개가 채워진다.
제공 Quiz 2 정답의 H₂ 에너지 준위도 · 위쪽 반결합은 비어 있고 아래 결합에 ↑↓

그림 답안: 결합은 두 핵을 감싸는 같은 위상의 연속적인 모양을 그리고, 반결합은 서로 반대 위상의 두 부분과 핵 사이의 마디면을 표시합니다. +와 −를 전하로 설명하지 않습니다.

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx / PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf · PDF 15~19쪽 / PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 4~7, 12쪽

자세한 설명과 예제
퀴즈 2 · 실제 출제

H₂ 에너지 준위도 그리기

Molecular orbital energy-level diagram · opposite spins · occupancy

  1. 좌우에 같은 높이의 H 1s 준위 한 개씩을 그립니다. 각 원자는 전자 1개씩을 제공합니다.
  2. 가운데에 더 낮은 결합 σ₁s와 더 높은 반결합 σ*₁s 준위를 그립니다.
  3. 전체 전자 2개를 낮은 σ₁s에 ↑↓로 채우고 σ*₁s는 비워 둡니다.
  4. 에너지 증가 방향과 결합·반결합 이름을 적습니다.

한 오비탈의 두 전자가 같은 네 양자수를 가질 수 없기 때문에 반대 스핀으로 들어갑니다. 단일 전자의 반결합 조합 φ_A − φ_B와 두 전자를 서로 교환했을 때의 전체 파동함수 반대칭은 다른 구분입니다. 공간 반대칭 상태는 대칭 스핀 상태와 짝을 이루며, 평행 스핀은 그 스핀 상태의 일부입니다. 반결합 오비탈에 전자가 있다는 것만으로 두 전자가 반드시 평행 스핀이라는 뜻은 아닙니다.

H₂⁺는 핵 2개와 전자 1개, H₂는 전자 2개입니다. 둘을 구별해 전자 수를 셉니다.

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx / PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 12, 15쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

LCAO의 2×2 고유값 문제

Linear combination of atomic orbitals · eigenvalue problem · determinant

정규화된 원자 오비탈을 사용하고 H_AA = H_BB = α, H_AB = H_BA = β로 둡니다. 서로 다른 원자 오비탈의 겹침을 먼저 0으로 근사합니다.

(α − E)cA + βcB = 0,   βcA + (α − E)cB = 0
det(H − EI) = (α − E)² − β² = 0
E₊ = α + β,   cA = cB;   E₋ = α − β,   cA = −cB

+와 −는 조합의 대칭성을 표시합니다. 통상적인 H 1s 위상 선택에서 β < 0이면 E₊가 더 낮은 결합 준위입니다. 이름의 +를 보고 “에너지가 더 높다”고 해석하지 않습니다. S = 0일 때 N₊ = N₋ = 1/√2입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 8~11쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

오비탈 겹침 S를 포함하면

Orbital overlap · overlap integral · energy splitting

S = ⟨φA|φB⟩,   det(H − ES) = 0
이 식의 굵은 행렬 S는 대각성분 1, 비대각성분 S인 겹침 행렬을 뜻합니다.
(α − E)² − (β − ES)² = 0
E₊ = α + β1 + S,   E₋ = α − β1 − S
N₊ = 1√[2(1+S)],   N₋ = 1√[2(1−S)]
ΔE = |E₋ − E₊| = 2|β − αS|1 − S²

원자 간 거리가 줄며 겹침과 결합이 커지면 일반적으로 결합·반결합 분리가 커집니다. 다만 식에서 S만 독립적으로 늘려 단조 증가한다고 단정하지 않습니다. α와 β도 원자 간 거리의 영향을 받습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 13~14쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

Si 원자 다수가 모이면 밴드가 된다

Covalent bonding · sp³ hybridization · valence / conduction band

Si 원자 N개는 원자가전자 4N개를 제공합니다. 고립 원자 3s에는 스핀을 포함해 2N개 상태와 2N개 전자가 있고, 3p에는 6N개 상태와 2N개 전자가 있습니다. 실제 결정에서는 sp³ 결합으로 낮은 결합 밴드와 높은 반결합 밴드가 만들어집니다.

낮은 밴드: 4N개 상태 · 4N개 전자,   높은 밴드: 4N개 상태 · 0개 전자
이상적인 순수 Si의 0 K 개념 그림. 여기서 상태 수는 스핀을 포함한 전자 수용 가능 상태 수.

낮은 가전자대와 높은 전도대 사이에 허용 상태가 없는 에너지 영역이 밴드갭입니다. 오비탈 수와 스핀 포함 상태 수를 섞어 세지 않습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 16~17쪽 / PE_Lecture Note_Week 5_Semiconductor.pdf · PDF 2~5쪽

자세한 설명과 예제
07

반도체 재료와 결정구조

Semiconductor materials and crystal structures

밀러 지수와 FCC 충진율은 정의를 쓰고 단계적으로 계산합니다.

핵심 개념

원소·화합물 반도체와 결정의 종류

Elemental / compound semiconductor · crystalline / amorphous / polycrystalline

분류대표 예구분 포인트
원소 반도체Si, Ge한 종류의 원소
IV족 화합물·혼합계SiC, SiGeIV족 조합
III–V족 화합물GaAs, GaN, InP, AlAsIII족과 V족
II–VI족 화합물ZnSe, ZnS, CdS, ZnOII족과 VI족

반금속(metalloid)은 금속과 비금속 사이의 화학적 성질에 관한 분류입니다. 반도체는 전기적·밴드 특성에 관한 분류로, 모든 반도체가 반금속 원소만으로 이루어지는 것은 아닙니다.

단결정: 장거리 주기적 배열. 다결정: 서로 다른 방향의 결정립 집합. 비정질: 장거리 주기성이 없음. 강의의 비정질 그림에서는 결함·무질서에 따른 국소화 상태와 밴드 꼬리도 나타납니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 5_Semiconductor.pdf · PDF 6~10쪽 / PE_Lecture Note_Week 6_Crystal.pdf · PDF 2쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

격자와 단위격자

Lattice · basis · unit cell · primitive vectors · lattice constant

격자는 병진으로 반복되는 점들의 집합이고, 결정구조는 격자에 원자 기저를 결합한 것입니다. 기본벡터 a₁,a₂,a₃의 정수배 조합으로 격자점을 나타냅니다. 기본벡터의 선택은 유일하지 않습니다.

R = n₁a₁ + n₂a₂ + n₃a₃,   n₁,n₂,n₃ ∈ ℤ
Vcell = |a₁ · (a₂ × a₃)|
V = abc √[1 + 2cosα cosβ cosγ − cos²α − cos²β − cos²γ]
일반 단위격자. α = ∠(b,c), β = ∠(c,a), γ = ∠(a,b). 입방정계는 V = a³.

관습적 단위격자와 primitive cell은 다를 수 있습니다. FCC의 관습적 입방 셀은 격자점 4개를 포함하지만 primitive cell은 격자점 1개를 포함합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 6_Crystal.pdf · PDF 3~6쪽 / PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 2~3쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

FCC 충진율 74% 유도

Face-centered cubic · atomic packing factor · coordination number

  1. 관습적 FCC 셀의 원자 수: 꼭짓점 8×1/8 + 면 중심 6×1/2 = 4.
  2. 구가 면 대각선을 따라 접하므로 √2a = 4r → r = a/(2√2).
  3. 셀 안 구의 총 부피를 a³으로 나눕니다.
APF = 4 × (4πr³/3)a³ = π3√2 ≈ 0.7405
구조관습적 입방 셀 원자 수배위수
단순입방 SC16
체심입방 BCC28
면심입방 FCC412
다이아몬드84

원자 수 계산은 셀 경계의 공유를 반영합니다. 배위수는 한 원자의 가장 가까운 이웃 수이며 셀의 원자 수와 다릅니다. SC·BCC의 수치는 강의 그림 비교를 돕는 보충값입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 6_Crystal.pdf · PDF 3, 5, 10쪽 / PE_Lecture Note_Week 5_Semiconductor.pdf · PDF 11쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

다이아몬드 · Zinc blende · Wurtzite

Diamond structure · zinc blende · wurtzite · tetrahedral coordination

구조기하·원자예시
DiamondFCC 격자 + 같은 원소의 2원자 기저; 사면체 배위 4Si, Ge
Zinc blendeFCC 기반의 서로 다른 두 원소; 사면체 배위 4강의 예: GaAs, InP, ZnSe
Wurtzite육방 구조; 사면체 배위 4강의 예: GaN, ZnO, CdS

다이아몬드는 (0,0,0)과 (1/4,1/4,1/4)의 기저를 관습적 셀의 a 단위로 표현할 수 있습니다. Zinc blende에서는 두 기저 자리를 다른 원소가 차지합니다. Wurtzite 질화물의 c축 방향 자발분극이 강의의 구별점입니다. 일부 물질은 여러 결정상을 가질 수 있으므로 표는 강의에서 제시한 대표 구조입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 5_Semiconductor.pdf · PDF 11~12쪽 / PE_Lecture Note_Week 6_Crystal.pdf · PDF 10~12쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

면과 방향의 표기

Miller indices · intercepts · crystallographic planes and directions

표기뜻주의
(hkl)하나의 결정면 방향을 나타내는 밀러 지수축 절편의 역수
{hkl}대칭적으로 동등한 면들의 집합면의 family
[uvw]한 방향벡터 성분의 정수비
⟨uvw⟩대칭적으로 동등한 방향들의 집합방향의 family
  1. 면의 축 절편을 각각 a,b,c 단위로 씁니다.
  2. 역수를 취합니다. 평행한 축은 절편 ∞ → 역수 0.
  3. 분수를 없애 가장 작은 정수비로 만듭니다. 음수는 위에 막대(예: 1̄)로 표시합니다.

예: 절편 (a, 2a, ∞)인 입방 셀의 면 → (1,1/2,0) → (210). 방향 [210]은 위치 변화 성분이 (2,1,0)인 벡터이며 절편의 역수를 취하지 않습니다. 원점을 지나는 면은 평행한 동등 면을 옮겨 절편을 구합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 6_Crystal.pdf · PDF 7~8쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

면간거리와 방향 사이 각도

Interplanar spacing · angle between directions · cubic crystal

dhkl = a√(h²+k²+l²)   (입방정계)
cosθ = u₁u₂ + v₁v₂ + w₁w₂√(u₁²+v₁²+w₁²) √(u₂²+v₂²+w₂²)   (입방정계)

예: d₁₁₁ = a/√3. [100]과 [111] 사이에서는 cosθ = 1/√3이므로 θ ≈ 54.7°. 입방정계에서는 [hkl]이 (hkl)에 수직이지만, 이를 모든 비입방 결정에 그대로 적용하면 안 됩니다. 강의 9쪽의 각도 식은 두 벡터 길이의 곱으로 나누는 내적 공식으로 읽습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 6_Crystal.pdf · PDF 9쪽

자세한 설명과 예제
08

역격자 · Bloch 정리 · 밴드 형성

Reciprocal lattice, Bloch’s theorem, and band formation

실공간의 주기성이 파수 공간에서 어떤 조건과 에너지 분리를 만드는지 연결합니다.

핵심 개념

역격자 정의를 내적으로 확인

Reciprocal lattice · reciprocal primitive vectors · reciprocal lattice vector

ai · bj = 2πδij,   G = hb₁ + kb₂ + lb₃
b₁ = 2π a₂ × a₃a₁ · (a₂ × a₃),   b₂ = 2π a₃ × a₁a₁ · (a₂ × a₃),   b₃ = 2π a₁ × a₂a₁ · (a₂ × a₃)
G · R = 2πM (M ∈ ℤ),   eiG·R = 1

역격자 벡터의 단위는 길이의 역수입니다. 1D에서 실공간 주기가 a이면 역격자 간격은 2π/a입니다. 강의의 G·r = 2π는 일반적인 모든 격자벡터 관계가 아니라, 정수배를 포함하는 위 조건의 특수한 경우로 이해합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 4~5쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

Bloch 파동은 “주기함수 × 평면파”

Bloch wave · periodic function · translation · phase factor

V(r+R) = V(r)
ψnk(r) = unk(r)eik·r,   unk(r+R) = unk(r)
ψnk(r+R) = eik·R ψnk(r)

격자와 같은 주기를 갖는 것은 u입니다. 전체 ψ는 병진할 때 위상인자를 얻으므로 일반적으로 ψ(r+R) = ψ(r)가 아닙니다. 단일 Bloch 상태의 확률밀도 |ψ|²는 격자 주기를 갖습니다. n은 여기서 밴드 번호입니다.

직접 설명: 자유전자에서는 u가 상수이고 순수 평면파가 됩니다. 결정에서는 주기 퍼텐셜의 영향을 u가 반영합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 8~10쪽 / PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 2쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

Bragg 조건에서 진행파 두 개가 결합한다

Bragg scattering · standing wave · band splitting

2d sinθ = mλ,   k′ = k − G
탄성 산란에서 |k′| = |k|. θ는 격자면과 광선이 이루는 각.
|k|² = |k−G|² ⇒ 2k·G = |G|²
1D 첫 경계: G = 2πa,   k = G2 = πa,   k′ = −πa

경계에서 ±k 진행파가 섞여 cos(πx/a), sin(πx/a) 형태의 정상파가 됩니다. 전자밀도는 각각 cos², sin² 모양으로 달라져 원자 위치에서의 분포도 달라집니다. 같은 자유전자 에너지를 갖던 두 상태가 주기 퍼텐셜 때문에 서로 다른 에너지를 갖습니다.

경계의 에너지 분리: ΔE = 2|VG|
약한 주기 퍼텐셜의 두 평면파 근사. V_G는 퍼텐셜의 역격자 성분이며, 모든 물질의 전체 밴드갭 공식으로 일반화하지 않습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 7, 11~13쪽 / PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 3쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

Brillouin zone과 고대칭점

First Brillouin zone · high-symmetry points · zone boundary

제1 Brillouin zone은 역격자 원점의 Wigner–Seitz 영역입니다. 1D에서는 −π/a ≤ k ≤ π/a로 잡습니다. k와 k+G는 같은 결정운동량을 나타내므로 밴드를 제1 영역으로 접어 표시할 수 있습니다.

실공간 FCC의 역격자는 BCC입니다. 강의의 FCC 고대칭점 좌표를 관습적 실공간 입방 셀 길이 a로 쓰면 다음과 같이 구별합니다.

점대표 좌표위치
Γ(0,0,0)영역 중심
X(2π/a,0,0) 또는 축의 대칭 치환정사각형 면 중심
L(π/a,π/a,π/a)육각형 면 중심

자료 표기 주의: 7주차 14쪽은 X = (π/a,0,0), 8주차 4쪽은 X = (2π/a,0,0)로 서로 다릅니다. 여기서는 8주차 좌표를 기준으로 정리했습니다. L을 “Edge”라고 부르는 강의 문구는 FCC 제1 Brillouin zone의 표준 기하와 맞지 않아 면 중심으로 설명했습니다. 1D 경계 ±π/a와 FCC의 X 좌표를 혼용하지 않습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 14쪽 / PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 4쪽

자세한 설명과 예제
09

에너지 밴드 · 유효질량 · 전하 운반자

Energy bands, effective mass, and charge carriers

E–k의 기울기와 곡률, 밴드 가장자리, 점유 여부를 구분합니다.

핵심 개념

금속·반도체·절연체의 밴드

Metal / semiconductor / insulator · filled / empty / partially filled band

구분0 K의 이상적인 밴드 그림전도와의 연결
금속부분적으로 찬 밴드 또는 밴드 중첩가까운 빈 상태로 이동 가능
반도체가전자대 가득 참, 전도대 비어 있음, 유한 갭열·빛·도핑으로 운반자 확보
절연체가전자대와 전도대 사이 큰 갭일반적인 조건에서 여기 어려움
Eg = Ec − Ev

밴드는 허용된 전자 에너지 상태의 집합입니다. 밴드갭은 이상적인 벌크 결정에서 허용 상태가 없는 에너지 영역이며, 전자가 이동할 수 없는 실공간의 빈틈을 뜻하지 않습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf · PDF 16~17쪽 / PE_Lecture Note_Week 5_Semiconductor.pdf · PDF 4~5쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

직접 갭과 간접 갭

Direct / indirect bandgap · phonon · momentum conservation

직접 갭간접 갭EEkk광자포논전도대가전자대
구분전도대 최저점과 가전자대 최고점밴드 가장자리 전이
직접 밴드갭같은 k주로 광자만으로 운동량 보존 가능
간접 밴드갭서로 다른 k격자진동(포논)이 운동량 차이에 관여

광자의 결정운동량은 전자의 밴드 내 대표 파수에 비해 작으므로 광학 전이는 E–k 그림에서 거의 수직으로 그립니다. 직접 갭의 대표는 GaAs, 간접 갭의 대표는 Si와 강의의 AlAs입니다. 간접 갭 물질도 발광할 수 있지만 밴드 가장자리의 방사 전이는 일반적으로 덜 효율적입니다.

강의 그림의 GaAs 약 1.43 eV와 AlAs 약 2.16 eV는 대표적인 갭 값입니다. 정확한 수치는 온도·조성 등 조건에 의존하므로 비교 원리를 먼저 이해합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 15~17쪽 / PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 5쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

유효질량은 E–k의 곡률로 결정

Effective mass · curvature · group velocity · band extremum

vg = 1ℏdEdk,   ℏ dkdt = F
a = 1ℏ²d²Edk² F ⇒ 1m* = 1ℏ²d²Edk²
E(k) ≈ Ec + ℏ²(k−k₀)²2mₑ*

기울기는 군속도, 곡률은 역유효질량과 관련됩니다. 곡률이 클수록 |m*|는 작고, 평평할수록 |m*|는 큽니다. 밴드 극값에서 기울기가 0이어도 곡률은 0일 필요가 없습니다.

자유전자 E = ℏ²k²/(2mₑ)를 두 번 미분하면 m* = mₑ입니다. 전도대 최저점의 전자 유효질량은 양수, 가전자대 최고점의 전자 곡률은 음수입니다. 정공은 양의 전하와 양의 유효질량으로 기술합니다. 3D 일반형은 유효질량 텐서이며 여기서는 1D·등방성 근사를 사용합니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf · PDF 18쪽 / PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 6~8쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

정공은 가전자대에서 빠진 전자를 기술한다

Hole · missing electron · electron–hole pair · conventional current

가득 찬 밴드에서는 +k와 −k 전자의 전류 기여가 상쇄됩니다. 한 전자가 빠지면 나머지 전자들의 전류는 그 빠진 전자의 기여를 뺀 값입니다. 이를 전하 +q인 정공의 운동으로 표현합니다.

가득 찬 밴드: Σ vi = 0,   빠진 전자 j 이후: I ∝ −(−q)vj = +qvj
정공의 전류 부호를 설명하는 합. 전류밀도를 계산하려면 부피 또는 상태 밀도 계수도 필요합니다.

정공의 파수는 빠진 전자의 파수에 대해 k_h = −k_missing으로 정의합니다. 전기장 아래에서 전자와 정공의 드리프트 이동 방향은 서로 반대지만, 음전하 전자의 관습적 전류는 이동 방향과 반대이므로 두 운반자의 전류 기여는 같은 방향이 됩니다.

가전자대 전자가 전도대로 여기되면 전도 전자 1개 + 정공 1개가 생성됩니다. 여기되는 데 필요한 최소 에너지의 기준이 E_g입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 7~9쪽

자세한 설명과 예제
핵심 개념

진성·n형·p형 반도체

Intrinsic / extrinsic semiconductor · doping · donor / acceptor · majority carriers

구분순수 Si 또는 Si 내 도핑다수 운반자·준위
진성 intrinsic불순물이 없는 이상적인 결정열생성 전자와 정공 수 같음 (n = p)
n형 extrinsicV족 donor 예: P, As전자가 다수; E_D는 E_c 바로 아래
p형 extrinsicIII족 acceptor 예: B정공이 다수; E_A는 E_v 바로 위

진성 반도체의 이상적인 0 K에서는 전도대가 비고 가전자대가 차 있습니다. 온도가 올라가 전자–정공 쌍이 생성되면 n = p = n_i입니다. 도너는 전자를 전도대로 제공하고 양이온으로 남으며, 억셉터는 가전자대 전자를 받아 음이온이 되면서 정공을 만듭니다.

구별: n형은 전자가 다수인 재료라는 뜻이며 시료 전체가 반드시 음전하라는 뜻은 아닙니다. p형에서도 전자는 존재합니다. 강의의 T > 약 50 K 그림은 얕은 불순물 이온화의 개념도이며 모든 도핑·물질에서 같은 온도를 경계로 완전 이온화된다는 법칙은 아닙니다.

제공 자료는 도핑의 도입과 준위 그림까지 다룹니다. 페르미–디랙 분포, 상태밀도 적분, pn 접합의 정량 해석은 이 폴더의 핵심 범위로 추가하지 않았습니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 10~12쪽

자세한 설명과 예제
원문 대조 보완

E–k 그림과 E–x 밴드 그림을 구별하기

Energy–wavevector diagram · energy–position diagram · external electric field

그림가로축읽는 정보
E–k파동벡터 k밴드의 분산관계, 군속도, 유효질량, 직접·간접 갭
E–x실제 위치 x밴드 가장자리의 공간 변화, 운반자의 퍼텐셜·운동에너지

강의 8주차 7쪽은 각 위치의 E–k 포물선을 E–x 밴드 그림 위에 겹쳐 보여줍니다. 전도 전자의 운동에너지는 그 위치에서 E−E_c(x)입니다. 같은 균일 반도체에서 전기 퍼텐셜 φ(x)가 변하면 전자 밴드 가장자리는 −qφ(x)에 따라 함께 이동합니다.

ℰₓ = −dφdx,   dEcdx = qℰₓ,   Fₑ = −dEcdx = −qℰₓ
ℰₓ는 전기장, E_c는 전도대 가장자리 에너지입니다. 균일 재료의 정전기적 밴드 변화에 적용합니다.

전자는 전기장과 반대로, 정공은 전기장 방향으로 드리프트합니다. E–x에서의 밴드 기울기와 E–k에서의 곡률을 같은 의미로 읽으면 안 됩니다. 후자는 유효질량에 관한 정보입니다.

근거 · PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf · PDF 7~9쪽

자세한 설명과 예제
10

제공 퀴즈 10문항 다시 풀기

Original English quizzes · Korean solutions

영어 원문으로 읽고 한글로 답합니다. 한국어 해석과 정답은 따로 펼칠 수 있습니다.

제공된 문서의 영어 문항을 사용했습니다. 수식 조판과 명백한 문법 오타는 정돈했으며, Quiz 2의 공통 조건은 각 소문항에도 표시했습니다.

Quiz 1 · 1-1 · 원문 영어 문제

In Bohr’s model of hydrogen, the radius of the n-th orbit is proportional to:

A) n   B) n²   C) 1/n   D) 1/n²

Explain the derivation of this formula.

한국어 해석 · 읽기 도움말

수소의 보어 모형에서 n번째 궤도의 반지름은 무엇에 비례하는가? A) n, B) n², C) 1/n, D) 1/n² 중 선택하고, 이 식의 유도 과정을 설명하라.

proportional to → ~에 비례하는 · derivation → 유도 과정

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기

정답 B: n²에 비례.

mₑv²r = q²4πε₀r²,   mₑvr = nℏ
v = nℏmₑr ⇒ n²ℏ²mₑr³ = q²4πε₀r² ⇒ rₙ = 4πε₀ℏ²mₑq²n²

답안 확인: 힘의 식, 양자화 조건, 대입, 최종 비례관계를 모두 씁니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 1 · 1-2 · 원문 영어 문제

Assume a plane wave solution of the form ψ(x,t) = Aei(kx−ωt). Show how energy and momentum operators arise from this wavefunction.

한국어 해석 · 읽기 도움말

ψ(x,t) = Aeⁱ⁽ᵏˣ⁻ωᵗ⁾ 형태의 평면파 해를 가정하라. 이 파동함수에서 에너지 및 운동량 연산자가 어떻게 얻어지는지 보여라.

assume → ~라고 가정하라 · arise from → ~로부터 얻어지다 · operators → 연산자

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기
Ψ = Aei(kx−ωt),   ∂ₓΨ = ikΨ,   ∂ₜΨ = −iωΨ
−iℏ∂ₓΨ = pΨ ⇒ p̂ₓ = −iℏ∂ₓ
iℏ∂ₜΨ = EΨ ⇒ Ê = iℏ∂ₜ

p = ℏk와 E = ℏω를 사용했다고 명시합니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 1 · 2-1 · 원문 영어 문제

Starting from the classical expression for total energy E = p²/(2m) + V(x), derive the time-independent Schrödinger equation.

한국어 해석 · 읽기 도움말

전체 에너지의 고전적 표현 E = p²/(2m) + V(x)에서 출발하여 시간 독립 슈뢰딩거 방정식을 유도하라.

starting from → ~에서 출발하여 · derive → 유도하라 · time-independent → 시간 독립

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기
E = p²2m + V,   p̂² = −ℏ² d²dx²
Eψ = [p̂²2m + V]ψ = −ℏ²2md²ψdx² + Vψ

단순히 E에 연산자 기호만 붙이지 않고 각 항이 ψ에 작용하는 식을 씁니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 1 · 2-2 · 원문 영어 문제

Write down Schrödinger’s equation for a 1D infinite potential well.

한국어 해석 · 읽기 도움말

1차원 무한 퍼텐셜 우물의 슈뢰딩거 방정식을 써라.

write down → 식을 써라 · infinite potential well → 무한 퍼텐셜 우물

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기
0 < x < L:   −ℏ²2mψ″ = Eψ,   ψ(0)=ψ(L)=0
ψₙ = √2L sin(nπxL),   Eₙ = n²π²ℏ²2mL²,   n=1,2,…

우물 바깥 V = ∞와 ψ = 0도 함께 명시하면 조건이 완전해집니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 1 · 2-3 · 원문 영어 문제

If the width of a 1D infinite potential well is doubled, the ground-state energy becomes:

A) 2E₁   B) E₁/2   C) E₁/4   D) 4E₁

한국어 해석 · 읽기 도움말

1차원 무한 퍼텐셜 우물의 폭이 두 배가 되면 바닥상태 에너지는 어떻게 되는가? A) 2E₁, B) E₁/2, C) E₁/4, D) 4E₁.

width → 폭 · is doubled → 두 배가 된다 · ground-state energy → 바닥상태 에너지

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기

정답 C: 원래 E₁의 1/4.

E₁(2L)E₁(L) = L²(2L)² = 14

질량과 양자수는 같고 폭만 바뀐 조건입니다.

근거 · PE_Quiz1_Answer_Key.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 2 · 1-1 · 원문 영어 문제

Consider a particle of mass m confined in a three-dimensional cubic infinite potential well with side length L. The potential energy is V(x,y,z) = 0 for 0 < x,y,z < L and ∞ otherwise.

Using the separation of variables method, derive the three independent one-dimensional Schrödinger equations.

한국어 해석 · 읽기 도움말

질량 m인 입자가 한 변의 길이가 L인 3차원 정육면체 무한 퍼텐셜 우물에 갇혀 있다. 퍼텐셜은 0 < x,y,z < L에서 0이고 그 밖에서는 ∞이다. 변수분리법을 사용하여 서로 독립인 세 개의 1차원 슈뢰딩거 방정식을 유도하라.

confined → 갇힌 · side length → 한 변의 길이 · separation of variables → 변수분리

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기
ψ = XYZ ⇒ −ℏ²2m(X″X+Y″Y+Z″Z) = E
E=Eₓ+Eᵧ+E_z,   −ℏ²2mX″=EₓX

Y, Z에 대해서도 같은 형태를 쓰고 X(0)=X(L)=Y(0)=Y(L)=Z(0)=Z(L)=0을 명시합니다.

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 2 · 1-2 · 원문 영어 문제

Same system as 1-1: a particle of mass m in a cubic infinite potential well with side length L.

Solve the equations obtained from 1-1 and derive the expression for the allowed energy level with quantum numbers.

한국어 해석 · 읽기 도움말

1-1과 같은 질량 m, 한 변 L의 정육면체 무한 우물에 대해, 앞에서 얻은 방정식을 풀고 양자수로 표현한 허용 에너지 준위 식을 유도하라.

obtained from → ~에서 얻은 · allowed → 허용된 · quantum numbers → 양자수

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기
X=A sin(kₓx)+B cos(kₓx)

X(0)=0 → B=0, X(L)=0 → kₓL=nₓπ. 각 축에서 같은 논리를 적용합니다.

Eₓ=π²ℏ²nₓ²2mL² ⇒ E=π²ℏ²2mL²(nₓ²+nᵧ²+n_z²)

nₓ,nᵧ,n_z는 각각 양의 정수입니다.

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 2 · 1-3 · 원문 영어 문제

Same system: a particle of mass m in a cubic infinite potential well with side length L.

Determine the ground-state energy and its corresponding quantum numbers.

한국어 해석 · 읽기 도움말

같은 질량 m, 한 변 L의 정육면체 무한 우물에서 바닥상태 에너지와 그에 대응하는 양자수를 구하라.

determine → 구하라 · corresponding → 그에 대응하는 · ground state → 바닥상태

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기
(nₓ,nᵧ,n_z)=(1,1,1),   E₁₁₁=3π²ℏ²2mL²=3h²8mL²

(0,0,0)은 허용 상태가 아닙니다. 1D 바닥상태 에너지의 3배입니다.

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 2 · 2-1 · 원문 영어 문제

Consider a hydrogen molecule (H₂). According to the linear combination of atomic orbitals (LCAO) method, the molecular orbitals can be expressed as ψ± = C(φA ± φB).

Illustrate the bonding and antibonding orbitals, respectively.

한국어 해석 · 읽기 도움말

수소 분자 H₂를 생각하자. 원자 오비탈의 선형결합(LCAO)에 따르면 분자 오비탈은 ψ± = C(φ_A ± φ_B)로 표현된다. 결합 오비탈과 반결합 오비탈을 각각 그림으로 나타내라.

illustrate → 그림으로 나타내라 · respectively → 각각 · bonding / antibonding → 결합 / 반결합

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기
ψ₊=N₊(φA+φB),   ψ₋=N₋(φA−φB)

결합: 같은 위상, 핵 사이 마디 없음, 핵 사이 전자밀도 증가. 반결합: 반대 위상, 핵 사이 마디면 존재. 06 단원의 오비탈 그림을 가리고 직접 다시 그립니다.

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx

자세한 설명과 예제
Quiz 2 · 2-2 · 원문 영어 문제

Sketch the molecular orbital energy-level diagram of H₂.

한국어 해석 · 읽기 도움말

H₂의 분자 오비탈 에너지 준위도를 개략적으로 그려라.

sketch → 개략도를 그려라 · molecular orbital → 분자 오비탈 · energy-level diagram → 에너지 준위도

영어로 조건을 읽고, 답안은 한글과 수식으로 써 보세요.
한글 정답과 풀이 보기

좌우의 H 1s 원자 준위를 같은 높이에 놓습니다. 가운데 아래쪽에 σ₁s, 위쪽에 σ*₁s를 표시합니다. 총 전자 2개는 σ₁s에 ↑↓로 배치하고 σ*₁s는 비워 둡니다.

자체 점검: 에너지축, 원자 준위, 분자 준위 두 개, 2개 전자의 반대 스핀이 모두 표시되었는지 확인합니다.

근거 · PE_Quiz#2 Answer.docx

자세한 설명과 예제
11

자가점검 20문항

Additional practice in English

추가 연습도 영어 문제와 보기로 구성했습니다. 선택 후 한글 해설을 확인하세요.

0 / 20문항 풀이 완료

추가 연습 01 · English practice

In the photoelectric effect, what happens when the light intensity increases while the frequency remains constant?

문제와 보기의 한국어 해석

광전효과에서 주파수는 같고 빛의 강도만 증가한다면?

  1. 최대 운동에너지가 증가한다
  2. 문턱 이상에서 방출 전자 수가 증가한다
  3. 일함수가 감소한다
자세한 설명과 예제
추가 연습 02 · English practice

In Bohr’s model of hydrogen, by what factor does the orbital radius change from n = 1 to n = 3?

문제와 보기의 한국어 해석

보어 수소에서 n = 1 → 3일 때 반지름의 비는?

  1. 3배
  2. 9배
  3. 1/9배
자세한 설명과 예제
추가 연습 03 · English practice

How many internal nodes does the n = 3 state of a 1D infinite potential well have?

문제와 보기의 한국어 해석

무한 우물의 n = 3 상태 내부 마디 수는?

  1. 2개
  2. 3개
  3. 4개
자세한 설명과 예제
추가 연습 04 · English practice

For the same infinite well and quantum number, what happens to the energy if the particle mass is doubled?

문제와 보기의 한국어 해석

같은 우물에서 질량이 2배가 되면 같은 n의 에너지는?

  1. 2배
  2. 1/2배
  3. 1/4배
자세한 설명과 예제
추가 연습 05 · English practice

For a bound state in a finite potential well, how does the wavefunction behave outside the well?

문제와 보기의 한국어 해석

유한 우물 결합상태에서 벽 바깥의 파동함수는?

  1. 항상 정확히 0
  2. 무한대에서 발산
  3. 지수적으로 감쇠하는 꼬리
자세한 설명과 예제
추가 연습 06 · English practice

For tunneling through a stationary barrier with 0 < E < V₀, which quantity is conserved?

문제와 보기의 한국어 해석

장벽 내부 0 < E < V₀에서 반드시 보존되는 것은?

  1. 입자의 전체 에너지
  2. 파동함수의 진폭
  3. 장벽 내부의 실수 운동량
자세한 설명과 예제
추가 연습 07 · English practice

What is the spatial degeneracy of the first excited energy level in a 3D cubic infinite well?

문제와 보기의 한국어 해석

3D 정육면체 상자 첫 들뜬 준위의 공간 축퇴도는?

  1. 1
  2. 3
  3. 6
자세한 설명과 예제
추가 연습 08 · English practice

For n = 3 and l = 1, which values of m_l are allowed?

문제와 보기의 한국어 해석

n = 3, l = 1일 때 허용되는 m_l은?

  1. −2,−1,0,1,2
  2. −1,0,1
  3. 0만
자세한 설명과 예제
추가 연습 09 · English practice

What is the maximum number of electrons in the n = 2 shell?

문제와 보기의 한국어 해석

n = 2 껍질의 최대 전자 수는?

  1. 4
  2. 6
  3. 8
자세한 설명과 예제
추가 연습 10 · English practice

Which molecular orbital occupancy describes the ground state of H₂?

문제와 보기의 한국어 해석

H₂ 바닥상태의 분자 준위 점유는?

  1. σ₁s에 ↑↓, σ*₁s는 비어 있음
  2. σ₁s에 ↑↑
  3. 결합·반결합에 각 1개
자세한 설명과 예제
추가 연습 11 · English practice

For S = 0, α = −10 eV, and β = −2 eV, what is the bonding-orbital energy?

문제와 보기의 한국어 해석

S = 0, α = −10 eV, β = −2 eV일 때 결합 에너지는?

  1. −8 eV
  2. −12 eV
  3. +12 eV
자세한 설명과 예제
추가 연습 12 · English practice

What are the number of atoms per conventional FCC unit cell and the coordination number, respectively?

문제와 보기의 한국어 해석

FCC의 관습적 셀 원자 수와 배위수는?

  1. 4와 12
  2. 12와 4
  3. 8과 4
자세한 설명과 예제
추가 연습 13 · English practice

A plane in a cubic cell has intercepts (a, 2a, ∞). What are its Miller indices?

문제와 보기의 한국어 해석

입방 셀에서 면의 절편이 (a,2a,∞)라면?

  1. (120)
  2. (210)
  3. (121)
자세한 설명과 예제
추가 연습 14 · English practice

For a cubic crystal with lattice constant a, what is d₁₁₁?

문제와 보기의 한국어 해석

입방정계에서 d₁₁₁은?

  1. a/3
  2. a√3
  3. a/√3
자세한 설명과 예제
추가 연습 15 · English practice

In Bloch’s theorem, which part always has the periodicity of the lattice?

문제와 보기의 한국어 해석

Bloch 정리에서 항상 격자 주기를 갖는 부분은?

  1. 전체 ψ 자체
  2. 주기 부분 u
  3. 임의 파수의 평면파 자체
자세한 설명과 예제
추가 연습 16 · English practice

Where are the first Bragg boundaries for a one-dimensional crystal with period a?

문제와 보기의 한국어 해석

주기 a인 1D 결정의 첫 Bragg 경계 파수는?

  1. ±π/a
  2. ±2π/a
  3. ±a/π
자세한 설명과 예제
추가 연습 17 · English practice

For two parabolic bands with curvature of the same sign, what does a larger magnitude of curvature imply?

문제와 보기의 한국어 해석

E–k 곡률이 더 큰 포물선 밴드의 |m*|는?

  1. 더 크다
  2. 더 작다
  3. 항상 같다
자세한 설명과 예제
추가 연습 18 · English practice

What is usually required for a band-edge optical transition in an indirect-bandgap semiconductor?

문제와 보기의 한국어 해석

간접 갭의 밴드 가장자리 광학 전이에 보통 필요한 것은?

  1. 포논의 운동량 관여
  2. 전하 보존 위반
  3. 양자수 n = 0
자세한 설명과 예제
추가 연습 19 · English practice

What is the usual effect of doping silicon with arsenic (As)?

문제와 보기의 한국어 해석

Si에 As를 도핑하면 대표적으로?

  1. p형, 정공 다수
  2. n형, 전자 다수
  3. 항상 진성
자세한 설명과 예제
추가 연습 20 · English practice

Which statement about holes and doped semiconductors is correct?

문제와 보기의 한국어 해석

정공과 n형 반도체에 관한 옳은 설명은?

  1. 정공은 +q 운반자로 기술한다
  2. n형 시료 전체는 항상 음전하다
  3. p형에는 전자가 없다
자세한 설명과 예제
12

시험 직전 공식표

Key equations and conditions

공식 옆의 가정과 단위를 함께 기억합니다.

핵심 개념

빠르게 찾아보는 24개 관계식

주제식조건·확인
빛·물질파E=hν=ℏω=hc/λ, λ=h/p, p=ℏk주파수 ν와 각주파수 ω 구분
광전효과K_max=hν−W, ν₀=W/hW=qΦ; 에너지 단위 일치
불확정성Δx Δpₓ ≥ ℏ/2표준편차의 관계
보어 수소rₙ=a₀n², Eₙ=−13.6 eV/n²수소, 핵 고정 근사
연산자p̂ₓ=−iℏ∂ₓ, Ê=iℏ∂ₜ평면파의 미분으로 확인
정규화∫|ψ|²dτ=1, P=∫_영역 |ψ|²dτ확률밀도와 확률 구분
정상상태[−ℏ²∇²/(2m)+V]ψ=EψV가 시간 독립
1D 무한 우물ψₙ=√(2/L)sin(nπx/L), Eₙ=n²h²/(8mL²)0~L, n=1,2,…
전자 우물 수치Eₙ[eV]≈0.3760 n²/L[nm]²m=mₑ일 때만
유한 우물k=√(2mE)/ℏ, κ=√[2m(V₀−E)]/ℏ0<E<V₀
유한 우물 경계k tan(kb)=κ 또는 −k cot(kb)=κ중심 좌표; b는 반폭
터널링 정확식T={1+V₀²sinh²(κa)/[4E(V₀−E)]}⁻¹장벽 전체 폭 a; 양쪽 같은 퍼텐셜·질량
두꺼운 장벽T≈16E(V₀−E)e^(−2κa)/V₀²κa≫1에서 사용
3D 정육면체E=π²ℏ²(nₓ²+nᵧ²+n_z²)/(2mL²)세 양자수 모두 양의 정수
양자수·상태 수l=0,…,n−1; m_l=−l,…,l; m_s=±1/2부껍질 2(2l+1), 껍질 2n²개 전자
LCAOE₊=(α+β)/(1+S), E₋=(α−β)/(1−S)+는 대칭 조합; β 부호 확인
FCC4r=√2a, APF=π/(3√2)≈0.7405구 모형; 관습적 셀 원자 4개
입방 결정면d_hkl=a/√(h²+k²+l²)비입방에 일반화 금지
역격자a_i·b_j=2πδ_ij, G·R=2πMM은 정수
Blochψ_nk=u_nk e^(ik·r), u(r+R)=u(r)ψ(r+R)=e^(ik·R)ψ(r)
Bragg2d sinθ=mλ, 2k·G=|G|²1D 첫 경계 ±π/a
약한 주기 퍼텐셜ΔE=2|V_G|두 평면파 근사, 경계 에너지 분리
군속도·유효질량v_g=(1/ℏ)dE/dk, 1/m*=(1/ℏ²)d²E/dk²기울기와 곡률을 구분
진성·도핑진성: n=p=n_i, 도너: E_D<E_c, 억셉터: E_A>E_v밴드 가장자리 근처의 얕은 준위
자세한 설명과 예제
핵심 개념

상수와 단위

기호값사용
h6.62607015×10⁻³⁴ J·s플랑크 상수
ℏ약 1.054571817×10⁻³⁴ J·sh/(2π)
q1.602176634×10⁻¹⁹ C양의 기본전하 크기; 전자 전하 −q
mₑ약 9.1093837×10⁻³¹ kg자유전자 질량
1 eV1.602176634×10⁻¹⁹ J에너지 변환
1 nm / 1 Å10⁻⁹ m / 10⁻¹⁰ m길이 변환
hc약 1240 eV·nm광자 E[eV]≈1240/λ[nm]

SI 식에 수치를 넣을 때는 eV를 J로, nm를 m로 바꿉니다. h와 ℏ, 광학 파장 λ와 파수 k, 질량 m과 자기양자수 m_l를 혼동하지 않습니다.

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핵심 개념

읽은 원본 자료

원본 파일분량반영 내용
PE_Lecture Note_Week 1_Course Orientation.pdf6쪽평가 방식과 강의 개요. 본문 개념 정리 대상에서는 제외.
PE_Lecture Note_Week 1_Quantum Mechanics.pdf14쪽양자화, 광전효과, 물질파, 보어 모형.
PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation.pdf13쪽연산자, 불확정성, 슈뢰딩거 방정식, 1D 우물.
PE_Lecture Note_Week 2_Schrodinger Equation_2nd.pdf13쪽자유전자, 1D 무한·유한 우물과 정규화.
PE_Lecture Note_Week 3_Hydrogen Atom.pdf20쪽3D 상자, 수소 원자·양자수, 분자 오비탈.
PE_Lecture Note_Week 3_Quantum Tunneling.pdf9쪽유한 우물, 장벽, 정확 투과율과 두꺼운 장벽 근사.
PE_Lecture Note_Week 4_Bonding.pdf18쪽LCAO, 겹침과 에너지 분리, Si 밴드.
PE_Lecture Note_Week 5_Semiconductor.pdf13쪽반도체 재료와 결정구조.
PE_Lecture Note_Week 6_Crystal.pdf13쪽격자, FCC 충진율, 밀러 지수, 결정구조 비교.
PE_Lecture Note_Week 7_Bloch Theorem.pdf19쪽역격자, Bloch, Bragg, 밴드갭과 유효질량.
PE_Lecture Note_Week 8_Electronic Band.pdf13쪽밴드·유효질량 복습, 정공, 진성·외인성 도핑.
PE_Quiz#2 Answer.docx정답 문서3D 우물 3개 소문항, 결합·반결합 2개 소문항.
PE_Quiz1_Answer_Key.docx정답 문서보어·연산자·슈뢰딩거·1D 우물·폭 변화 5개 소문항.

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핵심 개념

원문을 읽을 때 확인할 표기

위치확인 사항정리본의 처리
W3 Hydrogen Atom 7쪽(2,2,1) 묶음의 에너지 계수가 11로 표시제곱합 9로 바로잡고 설명
W3 Tunneling 2쪽0~L 그림과 중심 좌표 짝·홀 식이 함께 표시ξ=x−L/2, 반폭 b=L/2로 명시
W3 Hydrogen Atom 12쪽스핀 표기 s=±ℏ/2s=1/2, m_s=±1/2, S_z=±ℏ/2를 구별
W4 Bonding 9쪽겹침 S_ij=0로 단순화서로 다른 오비탈의 겹침을 0으로 근사; 자기 겹침은 1
W7 4~5, 8쪽전체 ψ의 주기성과 G·R 조건이 단순하게 표현u의 주기성, Bloch 위상, 2π 정수배를 명시
W7 14쪽 / W8 4쪽X 좌표가 π/a와 2π/a로 다름; L을 Edge로 표기W8의 X=2π/a 기준; L은 육각형 면 중심
W3·W4·W5 결합 설명공간 반대칭과 평행 스핀 표현이 압축됨단일 전자 MO 조합과 두 전자 교환대칭을 구별

보충 유도·추가 연습은 본문에서 따로 표시했습니다. 자료에 쓰인 표현을 그대로 암기하기보다 좌표·정의·가정을 함께 확인하도록 정리했습니다.

자세한 설명과 예제
강의 파일 기준 검토

범위 대조 결과

폴더의 강의 PDF 11개와 퀴즈 문서 2개를 기준으로 큰 단원과 퀴즈 전 문항을 대조했습니다. 세부 항목 중 흑체복사·플랑크 가설, 수소 방사방정식의 u=rR 치환, 오비탈 모양, H₂⁺ 방정식, 터널링 계수 연결, E–x 밴드 그림 해석을 추가 보완했습니다.

표지, 빈 슬라이드, Q&A·수업 공지와 중복 슬라이드는 학습 항목으로 반복하지 않았습니다. 이 자료는 원문을 학습용으로 요약한 것이며 모든 그림과 대수 계산의 중간 단계를 그대로 복제한 문서는 아닙니다. 수업 중 구두 설명·칠판 판서 등 제공 파일 밖의 내용은 이 대조에 포함되지 않습니다.

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