1. Egenskaper hos halvledare

energiband

en atom består av en kärna och elektroner som kretsar kring kärnan.
elektronerna kan inte kretsa kring kärnan på något avstånd i atomutrymmet som omger kärnan, men endast vissa, mycket specifika banor är tillåtna och finns bara i specifika diskreta nivåer. Dessa energier kallas energinivåer. Ett stort antal atomer samlas för att bilda en kristall och interagerar i ett fast material, då energinivåerna blev så nära varandra att de bildar band. Detta är energibandet.
metaller, halvledare och isolatorer skiljer sig från varandra genom sina bandstrukturer. Deras bandstrukturer visas i figuren nedan.

i metaller kommer ledningsbandet och valensbandet mycket närmare varandra och kan till och med överlappa varandra, med Fermi-energiubbi. Detta innebär att metallen alltid har elektroner som kan röra sig fritt och så kan alltid bära ström. Sådana elektroner är kända som fria elektroner. Dessa fria elektroner är ansvariga för ström som strömmar genom en metall.

i halvledare och isolatorer separeras valansbandet och ledningsbandet med ett förbjudet energiklyfta. För att komma till ledningsbandet måste elektronen få tillräckligt med energi för att hoppa bandgapet. När detta är gjort kan det leda.

i halvledare vid rumstemperatur är bandgapet mindre, det finns tillräckligt med termisk energi för att tillåta elektroner att hoppa gapet ganska enkelt och göra övergångarna i ledningsbandet, med tanke på halvledarens begränsade ledningsförmåga. Vid låg temperatur har ingen elektron tillräcklig energi för att uppta ledningsbandet och därmed är ingen laddningsrörelse möjlig. Vid absolut noll är halvledare perfekta isolatorer, densiteten hos elektroner i ledningsband vid rumstemperatur är inte lika hög som i metaller, vilket inte kan leda ström lika bra som metall. Halvledarens elektriska ledningsförmåga är inte lika hög som metall men inte lika dålig som elektrisk isolator. Det är därför som denna typ av material kallas halvledare – betyder halvledare.

bandgapet för isolatorer är stort så mycket få elektroner kan hoppa över gapet. Därför strömmar strömmen inte lätt i isolatorer. Skillnaden mellan isolatorer och halvledare är storleken på bandgapenergin. I isolator där forbidden gap är mycket stor och som ett resultat den energi som krävs av elektronen att passera över till ledningsbandet är praktiskt taget tillräckligt stor. Isolatorer leder inte elektricitet lätt. Det betyder att isolatorns elektriska ledningsförmåga är mycket dålig.

halvledarkristall som används för IC etc. är hög renhet enkelkristallkisel av 99.999999999%, men när man faktiskt gör en krets tillsätts föroreningar för att styra de elektriska egenskaperna. Beroende på de tillsatta föroreningarna blir de halvledare av n-typ och p-typ.

Pentavalent fosfor (P) eller arsenik (As) tillsätts till kisel med hög renhet för halvledare av n-typ. Dessa föroreningar kallas givare. Donatorns energinivå ligger nära ledningsbandet, det vill säga energiklyftan är liten. Därefter exciteras elektroner på denna energinivå lätt till ledningsbandet och bidrar till konduktiviteten.

å andra sidan trivalent bor (B) etc. läggs till p-typ halvledare. Detta kallas en acceptor. Acceptorns energinivå ligger nära valensbandet. Eftersom det inte finns några elektroner här är elektroner i valensbandet upphetsade här. Som ett resultat bildas hål i valensbandet, vilket bidrar till konduktiviteten.