struktura energetického pásma
polovodiče jsou krystalické materiály, jejichž atomové úrovně vnějšího pláště vykazují strukturu energetického pásma, sestávající z valenčního pásma, „zakázané“ energetické mezery a vodivého pásma.
energetická pásma jsou ve skutečnosti oblastmi mnoha diskrétních úrovní, které jsou tak blízko, že je lze považovat za kontinuum, zatímco „zakázaná“ energetická mezera je oblast, ve které nejsou k dispozici žádné energetické úrovně. Protože Pauliho princip zakazuje více než jeden elektron ve stejném stavu, degenerace ve vnějších hladinách energie atomového pláště se zlomí a vytvoří mnoho diskrétních úrovní, které jsou od sebe jen mírně odděleny. Protože dva elektrony opačného spinu mohou být umístěny na stejné úrovni, existuje tolik úrovní, kolik jsou v krystalu páry elektronů. Toto lámání degenerace neovlivňuje vnitřní atomové úrovně, které jsou však pevněji vázány.
nejvyšší energetické pásmo je vodivé pásmo. Elektrony v této oblasti jsou odděleny od svých mateřských atomů a mohou se volně potulovat po celém krystalu. Elektrony v úrovních valenčního pásma jsou však pevněji vázány a zůstávají spojeny s příslušnými atomy mřížky.
šířka mezery a pásů je určena roztečí mřížky mezi atomy. Tyto parametry jsou tedy závislé na teplotě a tlaku. Ve vodičích neexistuje energetická mezera, zatímco v izolátorech je mezera velká.
při normálních teplotách jsou elektrony v izolátoru obvykle všechny ve valenčním pásmu, tepelná energie není dostatečná k excitaci elektronů přes tuto mezeru. Když je aplikováno vnější elektrické pole, nedochází k pohybu elektronů krystalem, a tedy k žádnému proudu. Na druhé straně pro dirigenta absence mezery velmi usnadňuje tepelně excitovaným elektronům skok do vodivého pásma, kde se mohou volně pohybovat kolem krystalu. Při použití elektrického pole bude proud proudit.
v polovodiči je energetická mezera střední velikosti tak, že pouze několik elektronů je excitováno do vodivého pásma tepelnou energií. Při použití elektrického pole je proto pozorován malý proud. Pokud je polovodič ochlazen, téměř všechny elektrony spadnou do valenčního pásma a vodivost polovodiče se sníží.
nosiče náboje v polovodičích
při 0 K, v nejnižším energetickém stavu polovodiče, se elektrony ve valenčním pásmu účastní kovalentní vazby mezi atomy mřížky.
při normálních teplotách však může působení tepelné energie vybulit valenční elektron do vodivého pásma a zanechat díru ve své původní poloze. V tomto stavu je snadné, aby sousední valenční elektron skočil ze své vazby a vyplnil díru. To nyní zanechává díru v sousední poloze. Pokud nyní další sousední elektron opakuje sekvenci a tak dále, zdá se, že díra se pohybuje krystalem. Protože díra je pozitivní vzhledem k moři negativních elektronů ve valenčním pásmu, díra působí jako kladný nosič náboje a její pohyb krystalem také představuje elektrický proud.
v polovodiči tedy elektrický proud vzniká ze dvou zdrojů: pohyb volných elektronů ve vodivém pásmu a pohyb otvorů ve valenčním pásmu. To má být v kontrastu s kovem, kde je proud nesen pouze elektrony.
energie potřebná k vytvoření náboje nese v polovodičích
energie W potřebná k vytvoření páru e-h v polovodiči nabitou hmotou částice procházející médiem závisí na energii mezery v pásmu, např. materiálu, a tedy, i když jen nepatrně, na teplotě.
měření tohoto množství ukazují téměř lineární závislost na energii mezery v pásmu a lineární přizpůsobení údajům získaným pro různé materiály dává
energie pro generování nosiče náboje je vždy vyšší než energie mezery v pásmu v důsledku možného dodatečného buzení stavů phonon a plasmon. Phonon excitace přenáší energii do mřížky a přenesená energie se nakonec objeví jako teplo v detektoru.
plazmon je kvantum kmitů valenční elektronové hustoty se střední energií 17 eV pro křemík. Valenční elektrony jsou elektrony m-skořápky a jsou jen slabě vázány na atomy. Lze je tedy považovat za hustý a téměř homogenní hustotní plyn, tj. plazma nosičů záporného náboje v objemu polovodičového materiálu.
průměrná energie W pro vytvoření páru e-h byla vypočtena a měřena v experimentech zahrnujících vysokoenergetické nabité částice a rentgenové fotony . Průměrná energie W potřebná k vytvoření páru e-h v křemíku je W ≈3,68 eV.