Elektronische eigenschappen
De hier behandelde halfgeleidermaterialen zijn eenkristallen, d.w.z. dat de atomen op een driedimensionale periodieke wijze zijn gerangschikt. Figuur 2A toont een vereenvoudigde tweedimensionale voorstelling van een intrinsiek siliciumkristal dat zeer zuiver is en een verwaarloosbaar kleine hoeveelheid onzuiverheden bevat. Elk siliciumatoom in het kristal is omgeven door vier van zijn naaste buren. Elk atoom heeft vier elektronen in zijn buitenste baan en deelt deze elektronen met zijn vier buren. Elk gedeeld elektronenpaar vormt een covalente binding. De aantrekkingskracht van de elektronen door beide kernen houdt de twee atomen bij elkaar.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Bij lage temperaturen zijn de elektronen gebonden op hun respectieve posities in het kristal; bijgevolg zijn ze niet beschikbaar voor elektrische geleiding. Bij hogere temperaturen kunnen thermische trillingen sommige covalente bindingen verbreken. Het verbreken van een binding levert een vrij elektron op dat kan deelnemen aan de stroomgeleiding. Zodra een elektron zich verwijdert van een covalente binding, is er een elektronentekort in die binding. Dit tekort kan worden opgevuld door een van de naburige elektronen, hetgeen resulteert in een verschuiving van de plaats van het tekort van de ene plaats naar de andere. Dit tekort kan dus worden beschouwd als een deeltje dat lijkt op een elektron. Dit fictieve deeltje, dat gat wordt genoemd, draagt een positieve lading en beweegt onder invloed van een aangelegd elektrisch veld in een richting tegengesteld aan die van een elektron.
Voor een geïsoleerd atoom kunnen de elektronen van het atoom slechts discrete energieniveaus hebben. Wanneer een groot aantal atomen wordt samengebracht om een kristal te vormen, zorgt de interactie tussen de atomen ervoor dat de discrete energieniveaus zich verspreiden tot energiebanden. Wanneer er geen thermische trilling is (d.w.z. bij lage temperatuur), zullen de elektronen in een halfgeleider een aantal energiebanden volledig vullen en de rest van de energiebanden leeg laten. De hoogst gevulde band wordt de valentieband genoemd. De volgende hogere band is de geleidingsband, die van de valentieband gescheiden is door een energieverschil. Deze energiekloof, ook bandkloof genoemd, is een gebied dat de energieën aanduidt die de elektronen in de halfgeleider niet kunnen bezitten. De meeste belangrijke halfgeleiders hebben bandgaps in het bereik van 0,25 tot 2,5 eV. De bandkloof van silicium, bijvoorbeeld, is 1,12 eV en die van galliumarsenide is 1,42 eV.
Zoals hierboven besproken, zullen bij eindige temperaturen thermische trillingen sommige bindingen verbreken. Wanneer een binding wordt verbroken, ontstaat een vrij elektron, samen met een vrij gat, d.w.z. het elektron bezit voldoende thermische energie om de bandkloof naar de geleidingsband over te steken, en een gat in de valentieband achter te laten. Wanneer een elektrisch veld op de halfgeleider wordt toegepast, winnen zowel de elektronen in de geleidingsband als de gaten in de valentieband kinetische energie en geleiden zij elektriciteit. Het elektrisch geleidingsvermogen van een materiaal hangt af van het aantal ladingsdragers (d.w.z. vrije elektronen en vrije gaten) per volume-eenheid en van de snelheid waarmee deze dragers zich verplaatsen onder invloed van een elektrisch veld. In een intrinsieke halfgeleider bestaat een gelijk aantal vrije elektronen en vrije gaten. De elektronen en gaten hebben echter verschillende mobiliteiten, d.w.z. zij bewegen met verschillende snelheden in een elektrisch veld. Bijvoorbeeld, voor intrinsiek silicium bij kamertemperatuur is de elektronenmobiliteit 1.500 vierkante centimeter per voltseconde (cm2/V-s) – d.w.z. een elektron zal zich verplaatsen met een snelheid van 1.500 centimeter per seconde onder een elektrisch veld van één volt per centimeter – terwijl de gatenmobiliteit 500 cm2/V-s is. De mobiliteit van een bepaalde halfgeleider neemt over het algemeen af met toenemende temperatuur of met toenemende onzuiverheidsconcentratie.
Elektrische geleiding in intrinsieke halfgeleiders is vrij slecht bij kamertemperatuur. Om een betere geleiding te verkrijgen, kan men opzettelijk onzuiverheden introduceren (gewoonlijk tot een concentratie van één deel per miljoen gastheeratomen). Dit is het zogenaamde doteringsproces. Wanneer bijvoorbeeld een siliciumatoom wordt vervangen door een atoom met vijf buitenste elektronen, zoals arseen (figuur 2C), vormen vier van de elektronen covalente bindingen met de vier naburige siliciumatomen. Het vijfde elektron wordt een geleidingselektron dat wordt “afgestaan” aan de geleidingsband. Het silicium wordt een n-type halfgeleider door de toevoeging van het elektron. Het arseenatoom is de donor. Op dezelfde manier toont figuur 2C dat, wanneer een atoom met drie buitenste elektronen, zoals boor, een siliciumatoom vervangt, een extra elektron wordt “aanvaard” om vier covalente bindingen rond het booratoom te vormen, en een positief geladen gat in de valentieband wordt gecreëerd. Dit is een p-type halfgeleider, waarbij het boor een acceptor is.
