1. Eigenschaften von Halbleitern

Energieband

Ein Atom besteht aus einem Kern und Elektronen, die den Kern umkreisen.
Die Elektronen können den Kern in keinem Abstand im Atomraum umkreisen, der den Kern umgibt, aber nur bestimmte, sehr spezifische Bahnen sind erlaubt und existieren nur in bestimmten diskreten Ebenen. Diese Energien werden Energieniveaus genannt. Eine große Anzahl von Atomen sammelt sich zu einem Kristall und interagiert in einem festen Material, dann wurden die Energieniveaus so eng beabstandet, dass sie Bänder bilden. Dies ist das Energieband.
Metalle, Halbleiter und Isolatoren unterscheiden sich durch ihre Bandstrukturen voneinander. Ihre Bandstrukturen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

In Metallen kommen sich das Leitungsband und das Valenzband sehr nahe und können sich sogar überlappen, mit der Fermi-Energie （eｆ） irgendwo im Inneren. Dies bedeutet, dass das Metall immer Elektronen hat, die sich frei bewegen können und so immer Strom führen können. Solche Elektronen werden als freie Elektronen bezeichnet. Diese freien Elektronen sind für den Strom verantwortlich, der durch ein Metall fließt.

In Halbleitern und Isolatoren sind Valenzband und Leitungsband durch eine verbotene Energielücke （Eg） ausreichender Breite getrennt, und die Fermi-Energie （eｆ） liegt zwischen Valenz- und Leitungsband. Um an das Leitungsband zu gelangen, muss das Elektron genug Energie gewinnen, um die Bandlücke zu überspringen. Sobald dies geschehen ist, kann es führen.

In Halbleitern bei Raumtemperatur ist die Bandlücke kleiner, es gibt genug thermische Energie, damit Elektronen die Lücke ziemlich leicht überspringen und die Übergänge im Leitungsband machen können, da der Halbleiter begrenzt ist Leitfähigkeit. Bei niedriger Temperatur besitzt kein Elektron genügend Energie, um das Leitungsband zu besetzen, und somit ist keine Ladungsbewegung möglich. Bei absolutem Nullpunkt sind Halbleiter perfekte Isolatoren, Die Dichte der Elektronen im Leitungsband bei Raumtemperatur ist nicht so hoch wie in Metallen und kann daher keinen Strom so gut leiten wie Metall. Die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters ist nicht so hoch wie Metall, aber auch nicht so schlecht wie elektrischer Isolator. Deshalb wird diese Art von Material Halbleiter genannt – bedeutet Halbleiter.

Die Bandlücke für Isolatoren ist groß, so dass nur sehr wenige Elektronen die Lücke überspringen können. Daher fließt der Strom in Isolatoren nicht leicht. Der Unterschied zwischen Isolatoren und Halbleitern ist die Größe der Bandlückenenergie. In isolator, wo die lücke ist sehr groß und als ergebnis die energie erforderlich durch die elektron zu überqueren, um die leitung band ist praktisch große genug. Isolatoren leiten Elektrizität nicht leicht. Das bedeutet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Isolators sehr schlecht ist.

Semiconductor kristall verwendet für IC etc. ist hohe reinheit einzigen kristall silizium von 99.999999999%, aber wenn tatsächlich, der eine schaltung, verunreinigungen sind hinzugefügt, um die elektrischen eigenschaften. Abhängig von den hinzugefügten Verunreinigungen werden sie zu Halbleitern vom n- und p-Typ.

Fünfwertiger Phosphor (P) oder Arsen (As) werden hochreinem Silizium für Halbleiter vom n-Typ zugesetzt. Diese Verunreinigungen werden Spender genannt. Das Energieniveau des Donors befindet sich in der Nähe des Leitungsbandes, dh die Energielücke ist klein. Dann werden Elektronen auf diesem Energieniveau leicht zum Leitungsband angeregt und tragen zur Leitfähigkeit bei.

Andererseits dreiwertiges Bor (B) usw. wird zu p-Typ-Halbleiter hinzugefügt. Dies wird als Akzeptor bezeichnet. Das Energieniveau des Akzeptors liegt nahe am Valenzband. Da hier keine Elektronen vorhanden sind, werden hier Elektronen im Valenzband angeregt. Dadurch bilden sich Löcher im Valenzband, was zur Leitfähigkeit beiträgt.