Energibåndstruktur
halvledere er krystallinske materialer, hvis ydre skal atomniveauer udviser en energibåndstruktur, der består af et valensbånd, et “forbudt” energigab og et ledningsbånd.
energibåndene er faktisk regioner med mange diskrete niveauer, der er så tæt adskilte, at de kan betragtes som et kontinuum, mens det “forbudte” energigab er en region, hvor der overhovedet ikke er tilgængelige energiniveauer. Da Pauli-princippet forbyder mere end en elektron i samme tilstand, bryder degenerationen i de ydre atomskalenerginiveauer for at danne mange diskrete niveauer, der kun er lidt adskilt fra hinanden. Da to elektroner med modsat spin kan opholde sig på samme niveau, er der lige så mange niveauer, som der er par elektroner i krystallen. Denne degenerationsbrud påvirker imidlertid ikke de indre atomniveauer, som er mere tæt bundet.
det højeste energibånd er ledningsbåndet. Elektroner i denne region er løsrevet fra deres forældreatomer og er fri til at strejfe rundt om hele krystallen. Elektronerne i valensbåndniveauerne er imidlertid mere tæt bundet og forbliver forbundet med deres respektive gitteratomer.
bredden af spalten og båndene bestemmes af gitterafstanden mellem atomerne. Disse parametre er således afhængige af temperaturen og trykket. I ledere er energigabet ikke-eksisterende, mens i isolatorer er kløften stor.
ved normale temperaturer er elektronerne i en isolator normalt alle i valensbåndet, idet termisk energi er utilstrækkelig til at ophidse elektroner over dette hul. Når et eksternt elektrisk felt påføres, er der derfor ingen bevægelse af elektroner gennem krystallen og dermed ingen strøm. For en leder på den anden side gør fraværet af et hul det meget let for termisk ophidsede elektroner at hoppe ind i ledningsbåndet, hvor de er fri til at bevæge sig omkring krystallen. En strøm vil derefter strømme, når et elektrisk felt påføres.
i en halvleder er energigabet mellemliggende i størrelse, således at kun få elektroner spændes ind i ledningsbåndet ved termisk energi. Når et elektrisk felt påføres, observeres derfor en lille strøm. Hvis halvlederen afkøles, vil næsten alle elektronerne imidlertid falde ind i valensbåndet, og halvlederens ledningsevne vil falde.
ladningsbærere i halvledere
ved 0 K, i halvlederens laveste energitilstand, deltager elektronerne i valensbåndet alle i kovalent binding mellem gitteratomerne.
ved normale temperaturer kan virkningen af termisk energi imidlertid ophidse en valenselektron i ledningsbåndet, der efterlader et hul i sin oprindelige position. I denne tilstand er det let for en nærliggende valenselektron at hoppe fra sin binding for at fylde hullet. Dette efterlader nu et hul i nabopositionen. Hvis nu den næste nærliggende elektron gentager sekvensen og så videre, ser hullet ud til at bevæge sig gennem krystallen. Da hullet er positivt i forhold til havet af negative elektroner i valensbåndet, fungerer hullet som en positiv ladningsbærer, og dets bevægelse gennem krystallen udgør også en elektrisk strøm.
i en halvleder opstår den elektriske strøm således fra to kilder: bevægelsen af frie elektroner i ledningsbåndet og bevægelsen af huller i valensbåndet. Dette skal kontrasteres med et metal, hvor strømmen kun bæres af elektroner.
energi, der er nødvendig for at skabe ladning, bærer halvledere
den energi, der kræves for at skabe et e-h-par i en halvleder ved hjælp af en ladet massepartikel, der krydser mediet, afhænger af båndgabsenergien f.eks. af materialet og dermed, skønt kun lidt, af temperaturen.
målingerne af denne mængde viser en næsten lineær afhængighed af båndgapsenergien, og den lineære tilpasning til de data, der er opnået for forskellige materialer, giver
energien til generering af ladebærer er altid højere end båndgapsenergien på grund af den mulige yderligere ophidselse af fonon-og plasmontilstande. Phonon-ophidselse overfører energi til gitteret, og den overførte energi vises endelig som varme i detektoren.
plasmonen er kvanten af valenselektrontæthedsoscillationerne med en gennemsnitlig energi på 17 eV for silicium. Valenselektronerne er dem af M-skallen, og de er kun svagt bundet til atomerne. De kan således betragtes som en tæt og næsten homogen tæthedsgas, dvs.plasma af negative ladningsbærere i halvledermaterialevolumenet.
den gennemsnitlige energi til at skabe et e-h-par er beregnet og målt i eksperimenter, herunder højenergiladede partikler og Røntgenfotoner . Den gennemsnitlige energi, der kræves for at skabe et e – h-par i silicium, er 3,68 eV.