Proprietăți electronice
Materialele semiconductoare tratate aici sunt monocristale – adică atomii sunt aranjați într-un mod periodic tridimensional. Figura 2A arată o reprezentare bidimensională simplificată a unui cristal de siliciu intrinsec care este foarte pur și conține o cantitate neglijabil de mică de impurități. Fiecare atom de siliciu din cristal este înconjurat de patru dintre cei mai apropiați vecini ai săi. Fiecare atom are patru electroni în orbita sa exterioară și împarte acești electroni cu cei patru vecini ai săi. Fiecare pereche de electroni partajați constituie o legătură covalentă. Forța de atracție a electronilor de către ambii nuclei ține împreună cei doi atomi.
Encyclopædia Britannica, Inc.
La temperaturi scăzute, electronii sunt legați în pozițiile lor respective în cristal; în consecință, ei nu sunt disponibili pentru conducția electrică. La temperaturi mai ridicate, vibrațiile termice pot rupe unele dintre legăturile covalente. Prin ruperea unei legături se obține un electron liber care poate participa la conducerea curentului. Odată ce un electron se îndepărtează de o legătură covalentă, există o deficiență de electroni în acea legătură. Această deficiență poate fi completată de unul dintre electronii vecini, ceea ce duce la o deplasare a locației deficienței de la un loc la altul. Astfel, această deficiență poate fi considerată ca o particulă similară unui electron. Această particulă fictivă, supranumită gaură, poartă o sarcină pozitivă și se deplasează, sub influența unui câmp electric aplicat, într-o direcție opusă celei a unui electron.
Pentru un atom izolat, electronii atomului nu pot avea decât niveluri energetice discrete. Atunci când un număr mare de atomi sunt aduși împreună pentru a forma un cristal, interacțiunea dintre atomi face ca nivelurile de energie discrete să se răspândească în benzi de energie. Atunci când nu există vibrații termice (adică la temperaturi scăzute), electronii dintr-un semiconductor vor umple complet un număr de benzi de energie, lăsând restul benzilor de energie goale. Cea mai mare bandă umplută se numește bandă de valență. Banda imediat superioară este banda de conducție, care este separată de banda de valență printr-un decalaj energetic. Acest decalaj energetic, numit și bandă interzisă, este o regiune care desemnează energiile pe care electronii din semiconductor nu le pot avea. Majoritatea semiconductorilor importanți au benzi interzise cuprinse între 0,25 și 2,5 eV. Bandgap-ul siliciului, de exemplu, este de 1,12 eV, iar cel al arsenurii de galiu este de 1,42 eV.
După cum s-a discutat mai sus, la temperaturi finite, vibrațiile termice vor rupe unele legături. Atunci când o legătură este ruptă, rezultă un electron liber, împreună cu o gaură liberă, adică electronul posedă suficientă energie termică pentru a traversa banda interzisă spre banda de conducție, lăsând în urmă o gaură în banda de valență. Atunci când se aplică un câmp electric semiconductorului, atât electronii din banda de conducție, cât și găurile din banda de valență capătă energie cinetică și conduc electricitate. Conductivitatea electrică a unui material depinde de numărul de purtători de sarcină (adică electroni liberi și găuri libere) pe unitate de volum și de viteza cu care acești purtători se deplasează sub influența unui câmp electric. Într-un semiconductor intrinsec există un număr egal de electroni liberi și de găuri libere. Cu toate acestea, electronii și găurile au mobilități diferite – adică se deplasează cu viteze diferite într-un câmp electric. De exemplu, în cazul siliciului intrinsec la temperatura camerei, mobilitatea electronilor este de 1.500 de centimetri pătrați pe volt secundă (cm2/V-s) – adică un electron se va deplasa cu o viteză de 1.500 de centimetri pe secundă sub un câmp electric de un volt pe centimetru – în timp ce mobilitatea găurilor este de 500 cm2/V-s. Mobilitățile unui anumit semiconductor scad, în general, odată cu creșterea temperaturii sau cu creșterea concentrației de impurități.
Conducția electrică în semiconductorii intrinseci este destul de slabă la temperatura camerei. Pentru a produce o conducție mai mare, se pot introduce în mod intenționat impurități (de obicei la o concentrație de o parte la un milion de atomi gazdă). Acesta este așa-numitul proces de dopaj. De exemplu, atunci când un atom de siliciu este înlocuit cu un atom cu cinci electroni externi, cum ar fi arsenicul (figura 2C), patru dintre electroni formează legături covalente cu cei patru atomi de siliciu vecini. Al cincilea electron devine un electron de conducție care este „donat” în banda de conducție. Siliciul devine un semiconductor de tip n datorită adaosului de electroni. Atomul de arsenic este donatorul. În mod similar, figura 2C arată că, atunci când un atom cu trei electroni externi, cum ar fi borul, este înlocuit cu un atom de siliciu, un electron suplimentar este „acceptat” pentru a forma patru legături covalente în jurul atomului de bor și se creează o gaură încărcată pozitiv în banda de valență. Acesta este un semiconductor de tip p, borul constituind un acceptor.
.
