Elektronické vlastnosti
Polovodičové materiály, kterými se zde zabýváme, jsou monokrystaly, tj. atomy jsou uspořádány trojrozměrně periodicky. Obrázek 2A ukazuje zjednodušené dvourozměrné zobrazení vlastního krystalu křemíku, který je velmi čistý a obsahuje zanedbatelně malé množství nečistot. Každý atom křemíku v krystalu je obklopen čtyřmi svými nejbližšími sousedy. Každý atom má na svém vnějším orbitu čtyři elektrony a sdílí je se svými čtyřmi sousedy. Každý sdílený elektronový pár tvoří kovalentní vazbu. Síla přitažlivosti elektronů oběma jádry drží oba atomy pohromadě.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Při nízkých teplotách jsou elektrony vázány ve svých příslušných polohách v krystalu; proto nejsou k dispozici pro elektrické vedení. Při vyšších teplotách mohou tepelné vibrace porušit některé kovalentní vazby. Porušením vazby vznikne volný elektron, který se může podílet na vedení proudu. Jakmile se elektron vzdálí z kovalentní vazby, vznikne v této vazbě elektronový deficit. Tento nedostatek může být zaplněn jedním ze sousedních elektronů, což vede k posunu místa nedostatku z jednoho místa na druhé. Tento nedostatek lze tedy považovat za částici podobnou elektronu. Tato fiktivní částice, označovaná jako díra, nese kladný náboj a pod vlivem přiloženého elektrického pole se pohybuje ve směru opačném než elektron.
U izolovaného atomu mohou mít elektrony atomu pouze diskrétní energetické hladiny. Když se spojí velký počet atomů do krystalu, interakce mezi atomy způsobí, že se diskrétní energetické hladiny rozloží do energetických pásů. Pokud nedochází k tepelným vibracím (tj. při nízké teplotě), elektrony v polovodiči zcela zaplní několik energetických pásem a zbytek energetických pásem zůstane prázdný. Nejvýše zaplněný pás se nazývá valenční pás. Dalším vyšším pásem je pás vodivosti, který je od valenčního pásu oddělen energetickou mezerou. Tato energetická mezera, nazývaná také pásová mezera, je oblast, která označuje energie, které elektrony v polovodiči nemohou mít. Většina důležitých polovodičů má pásovou mezeru v rozmezí 0,25 až 2,5 eV. Například pásová mezera křemíku je 1,12 eV a pásová mezera arsenidu galia je 1,42 eV.
Jak bylo uvedeno výše, při konečných teplotách tepelné vibrace přeruší některé vazby. Při přerušení vazby vznikne volný elektron spolu s volnou dírou, tj. elektron má dostatek tepelné energie, aby překročil pásovou mezeru do vodivostního pásu a zanechal za sebou díru ve valenčním pásu. Když na polovodič působí elektrické pole, elektrony ve vodivostním pásu i díry ve valenčním pásu získají kinetickou energii a vedou elektrický proud. Elektrická vodivost materiálu závisí na počtu nosičů náboje (tj. volných elektronů a volných děr) na jednotku objemu a na rychlosti pohybu těchto nosičů pod vlivem elektrického pole. Ve vlastním polovodiči existuje stejný počet volných elektronů a volných děr. Elektrony a díry však mají různou pohyblivost – to znamená, že se v elektrickém poli pohybují různou rychlostí. Například pro vnitřní křemík při pokojové teplotě je pohyblivost elektronů 1 500 čtverečních centimetrů za volt za sekundu (cm2/V-s) – tj. elektron se pohybuje rychlostí 1 500 centimetrů za sekundu v elektrickém poli o velikosti jednoho voltu na centimetr – zatímco pohyblivost děr je 500 cm2/V-s. Pohyblivost daného polovodiče obecně klesá s rostoucí teplotou nebo s rostoucí koncentrací příměsí.
Elektrická vodivost vnitřních polovodičů je při pokojové teplotě poměrně slabá. K dosažení vyšší vodivosti lze záměrně zavádět nečistoty (obvykle v koncentraci jedné části na milion atomů hostitele). Jedná se o tzv. proces dopování. Například když je atom křemíku nahrazen atomem s pěti vnějšími elektrony, jako je arsen (obrázek 2C), čtyři z elektronů vytvoří kovalentní vazby se čtyřmi sousedními atomy křemíku. Pátý elektron se stane vodivostním elektronem, který je „darován“ do vodivostního pásu. Křemík se díky přidání elektronu stává polovodičem typu n. Dárcem je atom arsenu. Podobně obrázek 2C ukazuje, že když je atom křemíku nahrazen atomem se třemi vnějšími elektrony, jako je bór, je „přijat“ další elektron, který vytvoří čtyři kovalentní vazby kolem atomu bóru, a ve valenčním pásu vznikne kladně nabitá díra. Jedná se o polovodič typu p, kde bór představuje akceptor.
