Energiakaistarakenne
puolijohteet ovat kiteisiä materiaaleja, joiden ulkokuoren atomitasoilla on energiakaistarakenne, joka koostuu valenssikaistasta, ”kielletystä” energiakuilusta ja johtuvuuskaistasta.
energiakaistat ovat itse asiassa monien erillisten tasojen alueita, jotka ovat niin lähellä toisiaan, että niitä voidaan pitää jatkumona, kun taas ”kielletty” energiakuilu on alue, jossa ei ole lainkaan käytettävissä olevia energiatasoja. Koska Pauli-periaate kieltää useamman kuin yhden elektronin samassa tilassa, ulompien atomikuoren energiatasojen degeneraatio katkeaa muodostaen monia diskreettejä tasoja, jotka ovat vain hieman erillään toisistaan. Koska kaksi vastakkaisen Spinin elektronia voi sijaita samalla tasolla, tasoja on yhtä monta kuin kiteessä on elektronipareja. Tämä degeneraation katkeaminen ei kuitenkaan vaikuta sisempiin atomitasoihin, jotka ovat tiukemmin sidottuja.
korkein energiakaista on johtokaista. Tällä alueella olevat elektronit irtoavat emoatomeistaan ja vaeltavat vapaasti koko Kiteen ympäri. Valenssikaistatasojen elektronit ovat kuitenkin tiiviimmin sidoksissa toisiinsa ja pysyvät liittyneinä omiin hilatomeihinsa.
raon ja kaistojen leveys määräytyy atomien välisen hilavälin mukaan. Nämä parametrit ovat siis riippuvaisia lämpötilasta ja paineesta. Johtimissa energiavaje on olematon, kun taas eristeissä aukko on suuri.
normaalilämpötiloissa eristeen elektronit ovat yleensä kaikki valenssialueella, eikä lämpöenergia riitä elektronien kiihottamiseen tämän aukon yli. Ulkoista sähkökenttää käytettäessä elektroneja ei siis liiku kiteen läpi eikä näin ollen virtaa. Johtimen kannalta taas aukon puuttuminen tekee termisesti virittyneiden elektronien hyvin helpoksi hypätä johtokaistalle, jossa ne voivat vapaasti liikkua Kiteen ympärillä. Virta tulee sitten virtaamaan, kun sähkökenttä on käytössä.
puolijohteessa energiakuilu on kooltaan keskitasoa siten, että vain muutama elektroneista innostuu johtuvuuskaistalle lämpöenergian avulla. Kun sähkökenttää käytetään, havaitaan siis pieni virta. Jos puolijohde kuitenkin jäähdytetään, lähes kaikki elektronit putoavat valenssikaistalle ja puolijohteiden johtavuus heikkenee.
Varauskantajat puolijohteissa
0 K: ssa puolijohteiden alimmassa energiatilassa kaikki valenssikaistan elektronit osallistuvat hilaatomien väliseen kovalenttiseen sidokseen.
Normaalilämpötiloissa lämpöenergian vaikutus voi kuitenkin virittää valenssielektronia johtuvuuskaistalle, joka jättää reiän alkuperäiseen asentoonsa. Tässä tilassa viereisen valenssielektronin on helppo hypätä sidokseltaan täyttämään reikä. Tämä jättää nyt aukon naapuriasentoon. Jos nyt seuraava naapurielektroni toistaa sekvenssin ja niin edelleen, reikä näyttää liikkuvan kiteen läpi. Koska reikä on positiivinen suhteessa valenssikaistalla olevien negatiivisten elektronien mereen, reikä toimii positiivisen varauksen kantajan tavoin ja sen liike kiteen läpi muodostaa myös sähkövirran.
puolijohteessa sähkövirta syntyy siis kahdesta lähteestä: vapaiden elektronien liike johtuvuuskaistassa ja reikien liike valenssikaistassa. Tämä on vastakohtana metallille, jossa virtaa kuljettavat vain elektronit.
varauksen syntyyn tarvittava energia kuljettaa puolijohteissa
energiaa W, joka tarvitaan E-h-parin muodostamiseen puolijohteessa väliainetta läpäisevällä varautuneella massahiukkasella, riippuu materiaalin kaistan aukkoenergiasta esim.ja siten, vaikkakin vain vähän, lämpötilasta.
tämän suureen mittaukset osoittavat lähes lineaarisen riippuvuuden taajuusvälienergiasta, ja lineaarinen sovitus eri materiaaleista saatuihin tietoihin antaa
varauskantajan tuottaman energian on aina suurempi kuin taajuusvälienergian phonon-ja plasmonitilojen mahdollisen ylimääräisen eksitaation vuoksi. Phononin heräte siirtää energiaa hilaan, ja siirretty energia näkyy lopulta lämpönä ilmaisimessa.
plasmoni on valenssielektronitiheyden heilahtelujen kvantitaatio, jonka keskimääräinen energia on 17 eV Piille. Valenssielektronit ovat m-kuoren elektroneja ja ne ovat vain heikosti sitoutuneita atomeihin. Näin ollen niitä voidaan pitää tiiviinä ja lähes homogeenisena tiheyskaasuna eli puolijohdemateriaalin tilavuudessa olevien negatiivisen varauksen kantajien plasmana.
keskimääräinen energia W E-h-parin luomiseksi on laskettu ja mitattu kokeissa, joissa on mukana suurienergiaisia varautuneita hiukkasia ja Röntgenfotoneja . E-h-parin luomiseen piissä tarvittava keskimääräinen energia W on w ≈3,68 eV.