1. Eigenschappen van halfgeleiders

Energieband

een atoom bestaat uit een kern en elektronen die rond de kern cirkelen.
de elektronen kunnen niet op enige afstand rond de kern draaien in de atomaire ruimte rond de kern, maar alleen bepaalde, zeer specifieke banen zijn toegestaan, en bestaan alleen in specifieke discrete niveaus. Deze energieën worden energieniveaus genoemd. Een groot aantal atomen verzamelen zich om een kristal te vormen, en interageert in een vast materiaal, waarna de energieniveaus zo dicht op elkaar liggen dat ze banden vormen. Dit is de energieband.
metalen, halfgeleiders en isolatoren onderscheiden zich van elkaar door hun bandstructuren. Hun bandstructuren zijn weergegeven in de figuur hieronder.

in metalen komen de geleidingsband en de valentieband heel dichter bij elkaar en kunnen ze zelfs overlappen, met de Fermi energie （Eｆ ） ergens binnenin. Dit betekent dat het metaal altijd elektronen heeft die vrij kunnen bewegen en dus altijd stroom kunnen dragen. Dergelijke elektronen staan bekend als vrije elektronen. Deze vrije elektronen zijn verantwoordelijk voor de stroom die door een metaal stroomt.

in halfgeleiders en isolatoren worden de valantieband en de geleidingsband gescheiden door een verboden energiekloof（Eg）van voldoende breedte, en de Fermi-energie E Eｆ ） ligt tussen de valentie en de geleidingsband. Om bij de geleidingsband te komen, moet het elektron genoeg energie krijgen om over de bandkloof te springen. Zodra dit is gedaan, kan het uitvoeren.

in halfgeleiders bij kamertemperatuur is de bandkloof kleiner, er is genoeg thermische energie om elektronen vrij gemakkelijk de kloof te laten springen en de overgangen in de geleidingsband te maken, gezien de beperkte geleidbaarheid van de halfgeleider. Bij lage temperatuur bezit geen elektron voldoende energie om de geleidingsband te bezetten en is dus geen beweging van lading mogelijk. Bij absoluut nul zijn halfgeleiders perfecte isolatoren, de dichtheid van elektronen in geleidingsband bij kamertemperatuur is niet zo hoog als in metalen, dus kan stroom niet zo goed geleiden als metaal. De elektrische geleidbaarheid van halfgeleider is niet zo hoog als metaal, maar ook niet zo slecht als elektrische isolator. Dat is de reden waarom dit soort materiaal heet halfgeleider-betekent halve geleider.

de bandkloof voor isolatoren is groot, dus zeer weinig elektronen kunnen de kloof overbruggen. Daarom stroom niet gemakkelijk stromen in isolatoren. Het verschil tussen isolatoren en halfgeleiders is de grootte van de band gap energie. In isolator waar verboden kloof is zeer groot en als gevolg daarvan de energie die nodig is door het elektron om over te steken naar de geleidingsband is praktisch groot genoeg. Isolatoren geleiden elektriciteit niet gemakkelijk. Dat betekent dat de elektrische geleidbaarheid van de isolator is zeer slecht.

halfgeleiderkristal gebruikt voor IC enz. is een hoge zuiverheid single crystal silicium van 99,999999999%, maar bij het daadwerkelijk maken van een circuit, worden onzuiverheden toegevoegd om de elektrische eigenschappen te controleren. Afhankelijk van de toegevoegde onzuiverheden worden ze N-type en p-type halfgeleiders.

Pentavalent fosfor (P) of arseen (As) worden toegevoegd aan hoogzuiver silicium voor N-type halfgeleiders. Deze onzuiverheden worden donors genoemd. Het energieniveau van de donor ligt dicht bij de geleidingsband, dat wil zeggen, de energiekloof is klein. Vervolgens worden elektronen op dit energieniveau gemakkelijk opgewekt naar de geleidingsband en dragen ze bij aan de geleidbaarheid.

anderzijds, trivalent boor (B) enz. wordt toegevoegd aan P type halfgeleider. Dit wordt een acceptor genoemd. Het energieniveau van de acceptor ligt dicht bij de valentieband. Omdat er hier geen elektronen zijn, worden elektronen in de valentieband hier opgewekt. Hierdoor worden gaten gevormd in de valentieband, die bijdraagt aan de geleidbaarheid.