1. A félvezetők tulajdonságai

energiasáv

egy atom magból és a mag körül keringő elektronokból áll.
az elektronok nem tudnak az atommag körül semmilyen távolságban keringeni az atommag körül, de csak bizonyos, nagyon specifikus pályák megengedettek, és csak meghatározott diszkrét szinteken léteznek. Ezeket az energiákat energiaszinteknek nevezzük. Nagyszámú Atom gyűlik össze, hogy kristályt képezzen, és kölcsönhatásba lép egy szilárd anyagban, majd az energiaszintek olyan közel helyezkednek el egymástól, hogy sávokat alkotnak. Ez az energiasáv.
a fémeket, a félvezetőket és a szigetelőket sávszerkezetük különbözteti meg egymástól. Sávszerkezetüket az alábbi ábra mutatja.

a fémeknél a vezetősáv és a vegyértéksáv nagyon közelebb kerülnek egymáshoz, és akár átfedésben is lehetnek, a Fermi energia valahol benne van. Ez azt jelenti, hogy a fémnek mindig vannak elektronjai, amelyek szabadon mozoghatnak, így mindig képesek áramot hordozni. Az ilyen elektronokat szabad elektronoknak nevezik. Ezek a szabad elektronok felelősek a fémen átfolyó áramért.

a félvezetőkben és szigetelőkben a vegyértéksávot és a vezetősávot tiltott energiahézag választja el egymástól (pl. elegendő szélességű), és a Fermi energia (!) a vegyérték és a vezetősáv között helyezkedik el. Ahhoz, hogy eljusson a vezetési sávhoz, az elektronnak elegendő energiát kell szereznie ahhoz, hogy átugorja a sávrést. Ha ez megtörtént, akkor lehet folytatni.

szobahőmérsékleten a félvezetőkben a sávrés kisebb, elegendő hőenergia van ahhoz, hogy az elektronok meglehetősen könnyen átugorják a rést, és átmeneteket hajtsanak végre a vezetési sávban, tekintettel a félvezető korlátozott vezetőképességére. Alacsony hőmérsékleten egyetlen elektron sem rendelkezik elegendő energiával a vezetési sáv elfoglalásához, így a töltés mozgása nem lehetséges. Abszolút nullánál a félvezetők tökéletes szigetelők, az elektronok sűrűsége a vezetősávban szobahőmérsékleten nem olyan magas, mint a fémeknél, így nem képes olyan jó áramot vezetni, mint a fém. A félvezető elektromos vezetőképessége nem olyan magas, mint a fém, de nem is olyan gyenge, mint az elektromos szigetelő. Ezért az ilyen típusú anyagot félvezetőnek nevezik – félvezetőt jelent.

a szigetelők sávrése nagy, így nagyon kevés elektron képes átugrani a rést. Ezért az áram nem áramlik könnyen a szigetelőkben. A szigetelők és a félvezetők közötti különbség a sávrés energiájának mérete. A szigetelőben, ahol a tiltott rés nagyon nagy, ennek eredményeként az elektron által a vezetési sávba való átjutáshoz szükséges energia gyakorlatilag elég nagy. A szigetelők nem vezetik könnyen az áramot. Ez azt jelenti, hogy a szigetelő elektromos vezetőképessége nagyon gyenge.

IC-hez stb. használt félvezető kristály. nagy tisztaságú egykristályos Szilícium 99,999999999%, de amikor ténylegesen áramkört készítenek, szennyeződéseket adnak hozzá az elektromos tulajdonságok szabályozásához. A hozzáadott szennyeződésektől függően n-típusú és p-típusú félvezetőkké válnak.

öt vegyértékű foszfort (P) vagy arzént (As) adnak az N típusú félvezetők nagy tisztaságú szilíciumához. Ezeket a szennyeződéseket donoroknak nevezik. A donor energiaszintje a vezetési sáv közelében helyezkedik el, vagyis az energiarés kicsi. Ezután az elektronok ezen az energiaszinten könnyen gerjesztik a vezetési sávot, és hozzájárulnak a vezetőképességhez.Ezzel szemben

háromértékű bór (B) stb. hozzáadódik a p típusú félvezetőhöz. Ezt nevezzük akceptornak. Az akceptor energiaszintje közel van a vegyértéksávhoz. Mivel itt nincsenek elektronok, a vegyértéksávban lévő elektronok itt izgatottak. Ennek eredményeként lyukak képződnek a valenciasávban, ami hozzájárul a vezetőképességhez.