Elektroniske egenskaber
De halvledermaterialer, der behandles her, er monokrystaller – dvs. at atomerne er anbragt i en tredimensionel periodisk form. Figur 2A viser en forenklet todimensionel repræsentation af en egentlig siliciumkrystal, der er meget ren og indeholder en ubetydelig lille mængde urenheder. Hvert siliciumatom i krystallen er omgivet af fire af sine nærmeste naboer. Hvert atom har fire elektroner i sin ydre bane og deler disse elektroner med sine fire naboer. Hvert delt elektronpar udgør en kovalent binding. De to atomers tiltrækningskraft på elektronerne fra begge atomkerner holder de to atomer sammen.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Ved lave temperaturer er elektronerne bundet i deres respektive positioner i krystallen; de er derfor ikke tilgængelige for elektrisk ledelse. Ved højere temperaturer kan termiske vibrationer bryde nogle af de kovalente bindinger. Bruddet af en binding giver en fri elektron, som kan deltage i den elektriske ledelse. Når en elektron bevæger sig væk fra en kovalent binding, er der en elektronmangel i den pågældende binding. Denne mangel kan udfyldes af en af naboelektronerne, hvilket resulterer i en forskydning af mangelens placering fra et sted til et andet. Denne mangel kan således betragtes som en partikel, der svarer til en elektron. Denne fiktive partikel, der kaldes et hul, bærer en positiv ladning og bevæger sig under påvirkning af et påført elektrisk felt i en retning, der er modsat elektronens.
For et isoleret atom kan atomets elektroner kun have diskrete energiniveauer. Når et stort antal atomer samles til en krystal, bevirker vekselvirkningen mellem atomerne, at de diskrete energiniveauer spredes ud i energibånd. Når der ikke er nogen termiske vibrationer (dvs. ved lav temperatur), vil elektronerne i en halvleder fylde et antal energibånd fuldstændigt ud og efterlade resten af energibåndene tomme. Det højest fyldte bånd kaldes valensbåndet. Det næsthøjeste bånd er ledningsbåndet, som er adskilt fra valensbåndet af et energigap. Dette energigap, også kaldet bandgap, er et område, der angiver de energier, som elektronerne i halvlederen ikke kan besidde. De fleste vigtige halvledere har båndgab i intervallet 0,25 til 2,5 eV. Bandgapet for silicium er f.eks. 1,12 eV, og det for galliumarsenid er 1,42 eV.
Som nævnt ovenfor vil termiske vibrationer ved finite temperaturer bryde nogle bindinger. Når en binding brydes, opstår der en fri elektron sammen med et frit hul, dvs. at elektronen besidder tilstrækkelig termisk energi til at krydse båndgabet til ledningsbåndet og efterlader et hul i valensbåndet. Når der påføres et elektrisk felt på halvlederen, får både elektronerne i ledningsbåndet og hullerne i valensbåndet kinetisk energi og leder elektricitet. Et materiales elektriske ledningsevne afhænger af antallet af ladningsbærere (dvs. frie elektroner og frie huller) pr. volumenenhed og af den hastighed, hvormed disse ladningsbærere bevæger sig under påvirkning af et elektrisk felt. I en iboende halvleder findes der et lige stort antal frie elektroner og frie huller. Elektronerne og hullerne har imidlertid forskellige mobiliteter – dvs. de bevæger sig med forskellige hastigheder i et elektrisk felt. For intrinsisk silicium ved stuetemperatur er elektronmobiliteten f.eks. 1 500 kvadratcentimeter pr. voltsekund (cm2/V-s) – dvs. at en elektron vil bevæge sig med en hastighed på 1 500 centimeter pr. sekund under et elektrisk felt på 1 volt pr. centimeter – mens hulmobiliteten er 500 cm2/V-s. Mobiliteten for en given halvleder falder generelt med stigende temperatur eller med øget koncentration af urenheder.
Den elektriske ledning i intrinsiske halvledere er ret dårlig ved stuetemperatur. For at opnå en højere ledning kan man bevidst indføre urenheder (typisk med en koncentration på en del pr. million værtsatomer). Dette er den såkaldte doteringsproces. Når et siliciumatom f.eks. erstattes af et atom med fem ydre elektroner som f.eks. arsenik (figur 2C), danner fire af elektronerne kovalente bindinger med de fire siliciumatomer i nabolaget (figur 2C). Den femte elektron bliver en ledningselektron, der “doneres” til ledningsbåndet. Siliciumet bliver en n-type halvleder på grund af tilføjelsen af elektronen. Arsenatomet er donor. På samme måde viser figur 2C, at når et atom med tre ydre elektroner, f.eks. bor, erstatter et siliciumatom, “accepteres” en ekstra elektron for at danne fire kovalente bindinger omkring boratomet, og der dannes et positivt ladet hul i valensbåndet. Der er tale om en p-type halvleder, hvor boret udgør en acceptor.
