1. Właściwości półprzewodników

Pasmo energetyczne

atom składa się z jądra i elektronów krążących wokół jądra.
elektrony nie mogą orbitować jądra w dowolnej odległości w przestrzeni atomowej otaczającej jądro, ale dozwolone są tylko pewne, bardzo specyficzne orbity i istnieją tylko w określonych poziomach dyskretnych. Energie te nazywane są poziomami energii. Duża liczba atomów gromadzi się, tworząc kryształ i oddziałuje w stałym materiale, a następnie poziomy energii stały się tak blisko siebie, że tworzą pasma. To jest zespół energetyczny.
Metale, półprzewodniki i izolatory różnią się od siebie strukturą pasma. Ich struktury pasma są pokazane na rysunku poniżej.

w metalach pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne są bardzo blisko siebie, a nawet mogą się pokrywać, z energią Fermiego (e) gdzieś w środku. Oznacza to, że metal zawsze ma elektrony, które mogą poruszać się swobodnie, a więc zawsze może przenosić prąd. Takie elektrony są znane jako wolne elektrony. Te wolne elektrony są odpowiedzialne za prąd, który przepływa przez metal.

w półprzewodnikach i izolatorach pasmo falbany i pasmo przewodnictwa są oddzielone zakazaną przerwą energetyczną (np.) o wystarczającej szerokości, a energia Fermiego (E) znajduje się między pasmem walencyjnym i przewodnictwa. Aby dostać się do pasma przewodnictwa, elektron musi uzyskać wystarczającą ilość energii, aby przeskoczyć pasmo. Kiedy to się stanie, może prowadzić.

w półprzewodnikach w temperaturze pokojowej szczelina pasma jest mniejsza, jest wystarczająco dużo energii cieplnej, aby elektrony mogły dość łatwo przeskoczyć szczelinę i dokonać przejść w paśmie przewodnictwa, biorąc pod uwagę ograniczoną przewodność półprzewodnika. W niskiej temperaturze żaden elektron nie posiada wystarczającej energii, aby zająć pasmo przewodzenia, a tym samym nie jest możliwy ruch ładunku. Przy zerowym absolutnym Półprzewodniki są doskonałymi izolatorami, gęstość elektronów w paśmie przewodnictwa w temperaturze pokojowej nie jest tak wysoka jak w metalach, przez co nie mogą przewodzić prądu tak dobrego jak metal. Przewodność elektryczna półprzewodników nie jest tak wysoka jak metal, ale także nie tak słaba jak izolator elektryczny. Dlatego ten rodzaj materiału nazywany jest półprzewodnikiem – czyli półprzewodnikiem.

szczelina pasma dla izolatorów jest duża, więc bardzo niewiele elektronów może przeskoczyć szczelinę. Dlatego prąd nie płynie łatwo w izolatorach. Różnica między izolatorami a półprzewodnikami polega na wielkości energii szczeliny pasma. W izolatorze, gdzie zakazana szczelina jest bardzo duża i w rezultacie energia wymagana przez elektron do przejścia do pasma przewodnictwa jest praktycznie wystarczająco duża. Izolatory nie przewodzą elektryczności łatwo. Oznacza to, że przewodność elektryczna izolatora jest bardzo słaba.

Kryształ półprzewodnikowy używany do układów scalonych itp. jest monokrystalicznym krzemem o wysokiej czystości 99,999999999%, ale podczas tworzenia obwodu dodaje się zanieczyszczenia w celu kontroli właściwości elektrycznych. W zależności od dodanych zanieczyszczeń stają się półprzewodnikami typu N I p.

Pentawalent fosfor (P) lub arsen (As) są dodawane do krzemu o wysokiej czystości dla półprzewodników typu N. Zanieczyszczenia te nazywane są dawcami. Poziom energii dawcy znajduje się w pobliżu pasma przewodzenia, to znaczy, że luka energetyczna jest niewielka. Następnie elektrony na tym poziomie energii są łatwo wzbudzane do pasma przewodnictwa i przyczyniają się do przewodnictwa.

z drugiej strony, trójwartościowy Bor (B) itp. jest dodawany do półprzewodników typu P. Nazywa się to akceptorem. Poziom energii akceptora jest zbliżony do pasma walencyjnego. Ponieważ nie ma tu elektronów, elektrony w paśmie walencyjnym są tutaj wzbudzone. W rezultacie powstają otwory w paśmie walencyjnym, co przyczynia się do przewodności.