Energiebandstruktur
Halbleiter sind kristalline Materialien, deren atomare Außenschale eine Energiebandstruktur aufweist, die aus einem Valenzband, einer „verbotenen“ Energielücke und einem Leitungsband besteht.
Die Energiebänder sind eigentlich Regionen vieler diskreter Ebenen, die so eng beieinander liegen, dass sie als Kontinuum betrachtet werden können, während die „verbotene“ Energielücke eine Region ist, in der überhaupt keine Energieniveaus verfügbar sind. Da das Pauli-Prinzip mehr als ein Elektron im selben Zustand verbietet, bricht die Entartung der Energieniveaus der äußeren Atomhülle zusammen und bildet viele diskrete Ebenen, die nur geringfügig voneinander getrennt sind. Da sich zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin auf derselben Ebene befinden können, gibt es so viele Ebenen wie Elektronenpaare im Kristall. Diese Degeneration wirkt sich jedoch nicht auf die inneren atomaren Ebenen aus, die enger gebunden sind.
Das höchste Energieband ist das Leitungsband. Elektronen in diesem Bereich werden von ihren Elternatomen abgelöst und können sich frei über den gesamten Kristall bewegen. Die Elektronen in den Valenzbandebenen sind jedoch enger gebunden und bleiben ihren jeweiligen Gitteratomen zugeordnet.
Die Breite der Lücke und Bänder wird durch den Gitterabstand zwischen den Atomen bestimmt. Diese Parameter sind somit abhängig von der Temperatur und dem Druck. In Leitern ist die Energielücke nicht vorhanden, während in Isolatoren die Lücke groß ist.
Bei normalen Temperaturen befinden sich die Elektronen in einem Isolator normalerweise alle im Valenzband, wobei die thermische Energie nicht ausreicht, um Elektronen über diese Lücke anzuregen. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, gibt es daher keine Bewegung von Elektronen durch den Kristall und somit keinen Strom. Für einen Leiter hingegen macht es das Fehlen einer Lücke thermisch angeregten Elektronen sehr leicht, in das Leitungsband zu springen, wo sie sich frei um den Kristall bewegen können. Ein Strom fließt dann, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.
In einem Halbleiter ist die Energielücke so groß, dass nur wenige Elektronen durch thermische Energie in das Leitungsband angeregt werden. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wird daher ein kleiner Strom beobachtet. Wenn der Halbleiter jedoch gekühlt wird, fallen fast alle Elektronen in das Valenzband und die Leitfähigkeit des Halbleiters nimmt ab.
Ladungsträger in Halbleitern
Bei 0 K, im niedrigsten Energiezustand des Halbleiters, nehmen die Elektronen im Valenzband alle an der kovalenten Bindung zwischen den Gitteratomen teil.
Bei normalen Temperaturen kann jedoch die Einwirkung von Wärmeenergie ein Valenzelektron in das Leitungsband anregen und ein Loch in seiner ursprünglichen Position zurücklassen. In diesem Zustand ist es für ein benachbartes Valenzelektron leicht, von seiner Bindung zu springen, um das Loch zu füllen. Dadurch verbleibt nun ein Loch in der Nachbarposition. Wenn nun das nächste benachbarte Elektron die Sequenz wiederholt und so weiter, scheint sich das Loch durch den Kristall zu bewegen. Da das Loch relativ zum Meer negativer Elektronen im Valenzband positiv ist, wirkt das Loch wie ein positiver Ladungsträger und seine Bewegung durch den Kristall stellt auch einen elektrischen Strom dar.
In einem Halbleiter entsteht der elektrische Strom somit aus zwei Quellen: die Bewegung der freien Elektronen im Leitungsband und die Bewegung der Löcher im Valenzband. Dies ist mit einem Metall zu kontrastieren, bei dem der Strom nur von Elektronen getragen wird.
Energie, die benötigt wird, um Ladungspaare in Halbleitern zu erzeugen
Die Energie W, die benötigt wird, um ein e-h-Paar in einem Halbleiter durch ein geladenes Masseteilchen zu erzeugen, das das Medium durchquert, hängt von der Bandlückenenergie Eg des Materials und damit, wenn auch nur geringfügig, von der Temperatur ab.
Die Messungen dieser Größe zeigen eine nahezu lineare Abhängigkeit von der Bandlückenenergie, und die lineare Anpassung an die für verschiedene Materialien erhaltenen Daten ergibt
Die Energie für die Ladungsträgererzeugung ist aufgrund der möglichen zusätzlichen Anregung von Phononen- und Plasmonenzuständen immer höher als die Bandlückenenergie. Die Phononenanregung überträgt Energie auf das Gitter, und die übertragene Energie erscheint schließlich als Wärme im Detektor.
Das Plasmon ist das Quantum der Valenzelektronendichteschwingungen mit einer mittleren Energie von 17 eV für Silizium. Die Valenzelektronen sind die der M-Schale und nur schwach an die Atome gebunden. Sie können somit als dichtes und nahezu homogenes Dichtegas, d. H. Plasma negativer Ladungsträger im Halbleitermaterialvolumen, betrachtet werden.
Die mittlere Energie W zur Erzeugung eines e-h-Paares wurde in Experimenten mit hochenergetischen geladenen Teilchen und Röntgenphotonen berechnet und gemessen . Die mittlere Energie W, die benötigt wird, um ein e-h-Paar in Silizium zu erzeugen, beträgt W ≈3,68 eV.