1. Puolijohteiden ominaisuudet

Energiakaista

atomi koostuu ytimestä ja ydintä kiertävistä elektroneista.
elektronit eivät voi kiertää ydintä millään etäisyydellä ydintä ympäröivässä atomiavaruudessa, vaan vain tietyt, hyvin spesifiset orbitaalit ovat sallittuja, ja niitä on vain tietyillä diskreeteillä tasoilla. Näitä energioita kutsutaan energiatasoiksi. Suuri määrä atomeja kerääntyy muodostamaan kide, ja vuorovaikuttaa kiinteän aineen, sitten energiatasot tuli niin tiiviisti toisistaan, että ne muodostavat bändejä. Tämä on energy band.
Metallit, puolijohteet ja eristeet erotetaan toisistaan kaistarakenteidensa perusteella. Niiden bändirakenteet on esitetty alla olevassa kuvassa.

metalleissa johtumisvyöhykkeen ja valenssivyöhykkeen tulevat hyvin lähemmäksi toisiaan ja voivat jopa limittyä, Fermienergian （e）） jossain sisällä. Tämä tarkoittaa sitä, että metallilla on aina elektroneja, jotka voivat liikkua vapaasti ja siten kuljettaa aina virtaa. Tällaisia elektroneja kutsutaan vapaiksi elektroneiksi. Nämä vapaat elektronit ovat vastuussa virrasta, joka kulkee metallin läpi.

puolijohteissa ja eristeissä valanssikaistan ja johtuvuuskaistan erottaa toisistaan kielletty energiakuilu (（Eg）), joka on riittävän leveä, ja Fermienergia (（Eｆ) on valenssi-ja johtuvuuskaistan välissä. Johtuvuuskaistalle päästäkseen elektronin on saatava tarpeeksi energiaa, jotta se voi hypätä kaistan rakoon. Kun tämä on tehty, se voi johtaa.

puolijohteissa huoneenlämpötilassa kaistavaje on pienempi, lämpöenergiaa on tarpeeksi, jotta elektronit voivat hypätä rakoon melko helposti ja tehdä siirtymiä johtuvuuskaistassa, koska puolijohteella on rajallinen johtavuus. Alhaisessa lämpötilassa yhdelläkään elektronilla ei ole riittävästi energiaa johtuvuuskaistan miehittämiseen, joten varauksen liike ei ole mahdollista. Absoluuttisessa nollapisteessä puolijohteet ovat täydellisiä eristeitä, elektronien tiheys johtokaistalla huoneenlämpötilassa ei ole yhtä suuri kuin metalleilla, joten virta ei voi johtaa yhtä hyvin kuin metalli. Puolijohteiden sähkönjohtavuus ei ole yhtä korkea kuin metallin, mutta ei myöskään yhtä huono kuin sähköeristeen. Siksi tämäntyyppistä materiaalia kutsutaan puolijohde – tarkoittaa puolijohtimen.

eristeiden taajuusväli on suuri, joten hyvin harvat elektronit voivat hypätä raon yli. Siksi virta ei virtaa helposti eristeissä. Eristeiden ja puolijohteiden ero on kaistan aukon energian koko. Eristeessä, jossa kielletty aukko on hyvin suuri ja sen seurauksena energia, jota elektroni tarvitsee siirtyäkseen johtuvuuskaistalle, on käytännössä tarpeeksi suuri. Eristeet eivät johda sähköä helposti. Se tarkoittaa, että eristeen sähkönjohtavuus on erittäin huono.

puolijohdekide, jota käytetään IC: ssä jne. on erittäin puhdasta yksikideinen pii 99.99999999%, mutta kun todella tehdä piiri, epäpuhtaudet lisätään valvoa sähköisiä ominaisuuksia. Lisätyistä epäpuhtauksista riippuen niistä tulee n-ja p-tyyppisiä puolijohteita.

Pentavalenttia fosforia (P) tai arseenia (As) lisätään erittäin puhtaaseen piihin n-tyypin puolijohteissa. Näitä epäpuhtauksia kutsutaan luovuttajiksi. Luovuttajan energiataso sijaitsee lähellä johtuvuuskaistaa, eli energiavaje on pieni. Tällöin tällä energiatasolla olevat elektronit kiihtyvät helposti johtuvuuskaistalle ja edistävät johtavuutta.

toisaalta trivalentti boori (B) jne. lisätään p – tyypin puolijohteeseen. Tätä kutsutaan vastaanottajaksi. Vastaanottimen energiataso on lähellä valenssialuetta. Koska täällä ei ole elektroneja, valenssikaistan elektronit ovat täällä innoissaan. Tämän seurauksena valenssinauhaan muodostuu reikiä, jotka vaikuttavat johtavuuteen.