Elektroniska egenskaper
Halvledarmaterialen som behandlas här är enkristaller, dvs. atomerna är arrangerade på ett tredimensionellt periodiskt sätt. Figur 2A visar en förenklad tvådimensionell representation av en egen kiselkristall som är mycket ren och innehåller en försumbar liten mängd föroreningar. Varje kiselatom i kristallen är omgiven av fyra av sina närmaste grannar. Varje atom har fyra elektroner i sin yttre bana och delar dessa elektroner med sina fyra grannar. Varje delat elektronpar utgör en kovalent bindning. De båda atomkärnornas attraktionskraft för elektronerna håller ihop de två atomerna.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Vid låga temperaturer är elektronerna bundna i sina respektive positioner i kristallen; följaktligen är de inte tillgängliga för elektrisk ledning. Vid högre temperaturer kan termiska vibrationer bryta vissa av de kovalenta bindningarna. Brytningen av en bindning ger en fri elektron som kan delta i strömledningen. När en elektron flyttar sig från en kovalent bindning finns det en elektronbrist i den bindningen. Denna brist kan fyllas av en av grannelektronerna, vilket resulterar i en förskjutning av bristplatsen från en plats till en annan. Denna brist kan därför betraktas som en partikel som liknar en elektron. Denna fiktiva partikel, som kallas hål, bär en positiv laddning och rör sig under påverkan av ett applicerat elektriskt fält i en riktning som är motsatt till elektronens.
För en isolerad atom kan atomens elektroner endast ha diskreta energinivåer. När ett stort antal atomer förs samman för att bilda en kristall gör interaktionen mellan atomerna att de diskreta energinivåerna sprids ut i energiband. När det inte förekommer några termiska vibrationer (dvs. vid låg temperatur) kommer elektronerna i en halvledare att helt fylla ett antal energiband och lämna resten av energibanden tomma. Det högst fyllda bandet kallas valensbandet. Det nästa högre bandet är konduktionsbandet, som skiljs från valensbandet av ett energigap. Detta energigap, även kallat bandgap, är ett område som betecknar energier som elektronerna i halvledaren inte kan besitta. De flesta viktiga halvledare har bandgap i intervallet 0,25-2,5 eV. Bandgapet för kisel är till exempel 1,12 eV och för galliumarsenid 1,42 eV.
Som diskuterats ovan kommer termiska vibrationer vid ändliga temperaturer att bryta vissa bindningar. När en bindning bryts uppstår en fri elektron tillsammans med ett fritt hål, dvs. elektronen har tillräckligt med termisk energi för att korsa bandgapet till ledningsbandet och lämnar kvar ett hål i valensbandet. När ett elektriskt fält läggs på halvledaren får både elektronerna i ledningsbandet och hålen i valensbandet kinetisk energi och leder elektricitet. Ett materials elektriska ledningsförmåga beror på antalet laddningsbärare (dvs. fria elektroner och fria hål) per volymenhet och på den hastighet med vilken dessa laddningsbärare rör sig under inverkan av ett elektriskt fält. I en inneboende halvledare finns det lika många fria elektroner och fria hål. Elektronerna och hålen har dock olika rörlighet, dvs. de rör sig med olika hastighet i ett elektriskt fält. För kisel vid rumstemperatur är elektronrörligheten 1 500 kvadratcentimeter per voltsekund (cm2/V-s) – dvs. en elektron rör sig med en hastighet av 1 500 centimeter per sekund i ett elektriskt fält på en volt per centimeter – medan hålrörligheten är 500 cm2/V-s. Mobiliteten för en viss halvledare minskar i allmänhet med stigande temperatur eller med ökad koncentration av föroreningar.
Den elektriska ledningen i inneboende halvledare är ganska dålig vid rumstemperatur. För att åstadkomma högre ledningsförmåga kan man avsiktligt införa föroreningar (vanligtvis till en koncentration av en del per miljon värdatomer). Detta är den så kallade dopningsprocessen. När till exempel en kiselatom ersätts med en atom med fem yttre elektroner, till exempel arsenik (figur 2C), bildar fyra av elektronerna kovalenta bindningar med de fyra angränsande kiselatomerna. Den femte elektronen blir en ledningselektron som ”doneras” till ledningsbandet. Siliciumet blir en halvledare av n-typ på grund av att elektronen läggs till. Arsenikatomen är donatorn. På samma sätt visar figur 2C att när en atom med tre yttre elektroner, t.ex. bor, byts ut mot en kiselatom, ”accepteras” ytterligare en elektron för att bilda fyra kovalenta bindningar runt boratomen, och ett positivt laddat hål skapas i valensbandet. Detta är en halvledare av p-typ, där boret utgör en acceptor.
