Elektronikai tulajdonságok
Az itt tárgyalt félvezető anyagok egykristályok – azaz az atomok háromdimenziós periodikusan helyezkednek el. A 2A. ábra egy nagyon tiszta és elhanyagolhatóan kis mennyiségű szennyeződést tartalmazó belső szilíciumkristály egyszerűsített kétdimenziós ábrázolását mutatja. A kristályban minden egyes szilíciumatomot négy legközelebbi szomszédja vesz körül. Minden atomnak négy elektron van a külső pályáján, és ezeket az elektronokat megosztja négy szomszédjával. Minden egyes megosztott elektronpár egy kovalens kötést alkot. A két atommag által az elektronokra gyakorolt vonzóerő tartja össze a két atomot.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Az elektronok alacsony hőmérsékleten a kristályban a megfelelő helyükön vannak megkötve; következésképpen nem állnak rendelkezésre az elektromos vezetéshez. Magasabb hőmérsékleten a hőrezgés a kovalens kötések egy részét megbonthatja. A kötés felszakadásával szabad elektron keletkezik, amely részt vehet az áramvezetésben. Ha egy elektron eltávolodik egy kovalens kötésből, akkor elektronhiány lép fel az adott kötésben. Ezt a hiányt a szomszédos elektronok egyike pótolhatja, ami a hiány helyének egyik helyről a másikra való eltolódását eredményezi. Ez a hiány tehát egy elektronhoz hasonló részecskének tekinthető. Ez a lyuknak nevezett fiktív részecske pozitív töltést hordoz, és egy alkalmazott elektromos tér hatására az elektronéval ellentétes irányban mozog.
Egy izolált atom esetében az atom elektronjainak csak diszkrét energiaszintjei lehetnek. Amikor nagyszámú atomot egyesítenek kristályba, az atomok közötti kölcsönhatás hatására a diszkrét energiaszintek energiasávokká terjednek szét. Ha nincs termikus rezgés (azaz alacsony hőmérsékleten), a félvezető elektronjai néhány energiasávot teljesen kitöltenek, és a többi energiasáv üresen marad. A legmagasabb kitöltött sávot valenciasávnak nevezzük. A következő magasabb sáv a vezetési sáv, amelyet a valenciasávtól egy energiarés választ el. Ez az energiarés, amelyet sávhézagnak is neveznek, egy olyan terület, amely olyan energiákat jelöl, amelyeket a félvezető elektronjai nem birtokolhatnak. A legtöbb fontos félvezető sávhézaga 0,25 és 2,5 eV közötti tartományban van. A szilícium sávhézaga például 1,12 eV, a galliumarzenidé pedig 1,42 eV.
Amint azt fentebb tárgyaltuk, véges hőmérsékleten a termikus rezgések bizonyos kötéseket felbontanak. Egy kötés felszakadásakor egy szabad elektron, valamint egy szabad lyuk keletkezik, azaz az elektron elegendő termikus energiával rendelkezik ahhoz, hogy a sávhézagon átmenjen a vezetési sávba, és egy lyukat hagyjon maga után a valenciasávban. Ha a félvezetőre elektromos teret alkalmazunk, mind a vezetési sávban lévő elektronok, mind a valenciasávban lévő lyukak mozgási energiát nyernek, és vezetik az elektromosságot. Egy anyag elektromos vezetőképessége az egységnyi térfogatra jutó töltéshordozók (azaz a szabad elektronok és lyukak) számától és attól függ, hogy ezek a hordozók milyen sebességgel mozognak elektromos tér hatására. Egy intrinsic félvezetőben a szabad elektronok és a szabad lyukak száma egyenlő. Az elektronok és a lyukak azonban eltérő mozgékonysággal rendelkeznek – azaz eltérő sebességgel mozognak elektromos térben. Például az intrinsic szilícium esetében szobahőmérsékleten az elektronok mozgékonysága 1500 négyzetcentiméter per volt másodpercenként (cm2/V-s) – azaz egy elektron másodpercenként 1500 centiméteres sebességgel mozog egy centiméterenként egy voltos elektromos térben -, míg a lyukak mozgékonysága 500 cm2/V-s. Egy adott félvezető mozgékonysága általában csökken a hőmérséklet növekedésével vagy a szennyezőanyag-koncentráció növekedésével.
A belső félvezetőkben az elektromos vezetés szobahőmérsékleten meglehetősen gyenge. Nagyobb vezetőképesség előállítása érdekében szándékosan lehet szennyeződéseket bevinni (jellemzően a gazdatest atomok egymillió részének koncentrációjáig). Ez az úgynevezett adalékolási folyamat. Ha például egy szilíciumatomot öt külső elektronnal rendelkező atomra, például arzénre cserélünk (2C ábra), az elektronok közül négy kovalens kötést képez a négy szomszédos szilíciumatommal. Az ötödik elektron vezetési elektron lesz, amelyet a vezetési sávba “adományoznak”. A szilícium az elektron hozzáadása miatt n-típusú félvezető lesz. Az arzénatom a donor. Hasonlóképpen, a 2C. ábra azt mutatja, hogy amikor egy szilíciumatomot egy három külső elektronnal rendelkező atom, például a bór helyettesít, egy további elektront “elfogad”, hogy négy kovalens kötés alakuljon ki a bóratom körül, és egy pozitív töltésű lyuk keletkezik a valenciasávban. Ez egy p-típusú félvezető, ahol a bór egy akceptort képez.
