Właściwości elektroniczne
Materiały półprzewodnikowe, o których tu mowa, są pojedynczymi kryształami – tzn. atomy są ułożone w trójwymiarowy sposób okresowy. Rysunek 2A przedstawia uproszczoną dwuwymiarową reprezentację kryształu krzemu, który jest bardzo czysty i zawiera pomijalnie małą ilość zanieczyszczeń. Każdy atom krzemu w krysztale jest otoczony przez czterech swoich najbliższych sąsiadów. Każdy atom posiada cztery elektrony na swojej zewnętrznej orbicie i dzieli te elektrony ze swoimi czterema sąsiadami. Każda wspólna para elektronów tworzy wiązanie kowalencyjne. Siła przyciągania elektronów przez oba jądra utrzymuje dwa atomy razem.
Encyclopædia Britannica, Inc.
W niskich temperaturach elektrony są związane w odpowiednich pozycjach w krysztale; w konsekwencji nie są one dostępne dla przewodnictwa elektrycznego. W wyższych temperaturach drgania termiczne mogą spowodować zerwanie niektórych wiązań kowalencyjnych. Zerwanie wiązania daje wolny elektron, który może uczestniczyć w przewodzeniu prądu. Kiedy elektron oddala się od wiązania kowalencyjnego, pojawia się niedobór elektronu w tym wiązaniu. Niedobór ten może być uzupełniony przez jeden z sąsiednich elektronów, co powoduje przesunięcie miejsca niedoboru z jednego miejsca na drugie. Niedobór ten może być więc traktowany jako cząstka podobna do elektronu. Ta fikcyjna cząstka, zwana dziurą, nosi ładunek dodatni i pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego porusza się w kierunku przeciwnym do ruchu elektronu.
Dla izolowanego atomu elektrony atomu mogą mieć tylko dyskretne poziomy energetyczne. Kiedy duża liczba atomów jest połączona razem, tworząc kryształ, oddziaływanie między atomami powoduje, że dyskretne poziomy energetyczne rozchodzą się w pasma energetyczne. Gdy nie ma drgań termicznych (np. w niskiej temperaturze), elektrony w półprzewodniku całkowicie wypełnią kilka pasm energetycznych, pozostawiając resztę pasm pustych. Najwyżej wypełnione pasmo nazywane jest pasmem walencyjnym. Następne wyższe pasmo to pasmo przewodnictwa, które jest oddzielone od pasma walencyjnego przerwą energetyczną. Ta przerwa energetyczna, zwana również przerwą pasmową, jest obszarem wyznaczającym energie, których elektrony w półprzewodniku nie mogą posiadać. Większość ważnych półprzewodników ma przerwy w paśmie w zakresie od 0,25 do 2,5 eV. Bandgap krzemu, na przykład, jest 1,12 eV, a arsenku galu jest 1,42 eV.
Jak omówiono powyżej, w skończonych temperaturach drgania termiczne będą łamać niektóre wiązania. Kiedy wiązanie zostaje zerwane, pojawia się wolny elektron wraz z wolną dziurą, tzn. elektron posiada wystarczającą energię termiczną, aby przejść przez przerwę pasmową do pasma przewodnictwa, pozostawiając za sobą dziurę w paśmie walencyjnym. Gdy do półprzewodnika przyłożone jest pole elektryczne, zarówno elektrony w paśmie przewodnictwa, jak i dziury w paśmie walencyjnym zyskują energię kinetyczną i przewodzą prąd elektryczny. Przewodnictwo elektryczne materiału zależy od liczby nośników ładunku (tj. elektronów swobodnych i dziur swobodnych) w jednostce objętości oraz od szybkości, z jaką nośniki te przemieszczają się pod wpływem pola elektrycznego. W półprzewodniku samoistnym istnieje jednakowa liczba elektronów swobodnych i dziur swobodnych. Elektrony i dziury mają jednak różną ruchliwość – to znaczy, że poruszają się z różnymi prędkościami w polu elektrycznym. Na przykład, dla krzemu samoistnego w temperaturze pokojowej, ruchliwość elektronów wynosi 1500 centymetrów kwadratowych na woltosekundę (cm2/V-s) – tzn. elektron porusza się z prędkością 1500 centymetrów na sekundę pod wpływem pola elektrycznego o wartości jednego wolta na centymetr – podczas gdy ruchliwość dziur wynosi 500 cm2/V-s. Ruchliwość danego półprzewodnika generalnie maleje wraz ze wzrostem temperatury lub ze wzrostem koncentracji zanieczyszczeń.
Przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach samoistnych jest dość słabe w temperaturze pokojowej. Aby uzyskać wyższe przewodnictwo, można celowo wprowadzić zanieczyszczenia (zwykle do stężenia jednej części na milion atomów gospodarza). Jest to tak zwany proces domieszkowania. Na przykład, gdy atom krzemu jest zastąpiony atomem z pięcioma elektronami zewnętrznymi, takim jak arsen (Rysunek 2C), cztery z elektronów tworzą wiązania kowalencyjne z czterema sąsiednimi atomami krzemu. Piąty elektron staje się elektronem przewodnictwa, który jest „oddawany” do pasma przewodnictwa. Dzięki dodaniu elektronu krzem staje się półprzewodnikiem typu n. Atom arsenu jest donorem. Podobnie, Rysunek 2C pokazuje, że kiedy atom z trzema zewnętrznymi elektronami, taki jak bor, jest zastąpiony atomem krzemu, dodatkowy elektron jest „przyjmowany”, aby utworzyć cztery wiązania kowalencyjne wokół atomu boru, a dodatnio naładowana dziura jest tworzona w paśmie walencyjnym. Jest to półprzewodnik typu p, z borem stanowiącym akceptor.
