Elektroniikkaominaisuudet
Tässä käsiteltävät puolijohdemateriaalit ovat yksikiteitä eli atomit on järjestetty kolmiulotteiseen jaksolliseen muotoon. Kuvassa 2A on yksinkertaistettu kaksiulotteinen esitys luontaisesta piikiteestä, joka on hyvin puhdas ja sisältää häviävän vähän epäpuhtauksia. Kiteen jokaista piiatomia ympäröi neljä sen lähintä naapuria. Kullakin atomilla on neljä elektronia ulkoradallaan ja se jakaa nämä elektronit neljän naapurinsa kanssa. Jokainen jaettu elektronipari muodostaa kovalenttisen sidoksen. Molempien ydinten elektronien vetovoima pitää kaksi atomia yhdessä.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Matalissa lämpötiloissa elektronit ovat sidottuja omiin asentoihinsa kiteessä, joten ne eivät ole käytettävissä sähköjohtamiseen. Korkeammissa lämpötiloissa lämpövärähtely voi rikkoa osan kovalenttisista sidoksista. Sidoksen murtuminen tuottaa vapaan elektronin, joka voi osallistua sähkönjohtamiseen. Kun elektroni siirtyy pois kovalenttisesta sidoksesta, kyseisessä sidoksessa on elektronivaje. Tämän puutteen voi täyttää jokin viereisistä elektroneista, mikä johtaa puutteen sijainnin siirtymiseen paikasta toiseen. Tätä puutetta voidaan siis pitää elektronin kaltaisena hiukkasena. Tämä kuvitteellinen hiukkanen, jota kutsutaan reiäksi, kantaa positiivista varausta ja liikkuu sovelletun sähkökentän vaikutuksesta vastakkaiseen suuntaan kuin elektroni.
Eeristetyssä atomissa atomin elektroneilla voi olla vain erillisiä energiatasoja. Kun suuri määrä atomeja yhdistetään kiteeksi, atomien välinen vuorovaikutus saa aikaan sen, että diskreetit energiatasot leviävät energiakaistoiksi. Kun lämpövärähtelyä ei esiinny (eli matalassa lämpötilassa), puolijohteen elektronit täyttävät osan energiakaistoista kokonaan, ja loput energiakaistoista jäävät tyhjiksi. Korkeinta täytettyä kaistaa kutsutaan valenssikaistaksi. Seuraavaksi korkeampi kaista on johtumiskaista, jonka erottaa valenssikaistasta energiaväli. Tämä energia-aukko, jota kutsutaan myös bändiaukoksi, on alue, joka osoittaa energiat, joita puolijohteen elektroneilla ei voi olla. Useimmilla tärkeillä puolijohteilla on 0,25-2,5 eV:n kaistaleveys. Esimerkiksi piin kaistanleveys on 1,12 eV ja galliumarsenidin 1,42 eV.
Kuten edellä käsiteltiin, äärellisissä lämpötiloissa lämpövärähtelyt rikkovat joitakin sidoksia. Kun sidos katkeaa, syntyy vapaa elektroni sekä vapaa reikä, eli elektronilla on riittävästi lämpöenergiaa ylittääkseen kaistanraon johtumiskaistalle ja jättäen jälkeensä reiän valenssikaistalle. Kun puolijohteeseen kohdistetaan sähkökenttä, sekä johtavuuskaistan elektronit että valenssikaistan reiät saavat liike-energiaa ja johtavat sähköä. Materiaalin sähkönjohtavuus riippuu varauksenkuljettajien (eli vapaiden elektronien ja vapaiden aukkojen) määrästä tilavuusyksikköä kohti ja nopeudesta, jolla nämä kantajat liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta. Sisäisessä puolijohteessa on yhtä paljon vapaita elektroneja ja vapaita aukkoja. Elektroneilla ja rei’illä on kuitenkin erilainen liikkuvuus eli ne liikkuvat eri nopeuksilla sähkökentässä. Esimerkiksi huoneenlämpöisessä piissä elektronien liikkuvuus on 1 500 neliösenttimetriä volttisekunnissa (cm2/V-s) – eli elektroni liikkuu 1 500 senttimetriä sekunnissa sähkökentässä, jonka jännite on yksi voltti senttimetriä kohti – kun taas reikien liikkuvuus on 500 cm2/Vs. Tietyn puolijohteen liikkuvuudet yleensä pienenevät lämpötilan noustessa tai epäpuhtauspitoisuuden kasvaessa.
Sähkönjohtavuus sisäisissä puolijohteissa on melko heikkoa huoneenlämmössä. Paremman johtavuuden aikaansaamiseksi voidaan tarkoituksellisesti lisätä epäpuhtauksia (tyypillisesti pitoisuuteen, joka on yksi miljoonasosa isäntäatomia kohti). Tämä on niin sanottu seostamisprosessi. Kun esimerkiksi piiatomi korvataan atomilla, jolla on viisi ulkoelektronia, kuten arseenilla (kuva 2C), neljä elektronia muodostaa kovalenttisia sidoksia neljän viereisen piiatomin kanssa. Viidennestä elektronista tulee johtumiselektroni, joka ”lahjoitetaan” johtumiskaistalle. Pii muuttuu n-tyypin puolijohteeksi elektronin lisäyksen ansiosta. Arseeniatomi on luovuttaja. Vastaavasti kuvasta 2C nähdään, että kun piiatomi korvataan atomilla, jolla on kolme ulkoelektronia, kuten boorilla, ylimääräinen elektroni ”otetaan vastaan” muodostaen neljä kovalenttista sidosta booriatomin ympärille, ja valenssikaistalle syntyy positiivisesti varautunut reikä. Tämä on p-tyypin puolijohde, jossa boori muodostaa akseptorin.
