energiasáv-szerkezet
a félvezetők olyan kristályos anyagok, amelyek külső héjának atomszintjei energiasáv-szerkezetet mutatnak, amely vegyértéksávból, “tiltott” energiahézagból és vezetési sávból áll.
az energiasávok valójában sok különálló szint régiói, amelyek olyan szorosan vannak egymástól, hogy kontinuumnak tekinthetők, míg a “tiltott” energiarés olyan régió, amelyben egyáltalán nincs elérhető energiaszint. Mivel a Pauli-elv egynél több elektront tilt ugyanabban az állapotban, a külső atomhéj energiaszintjeinek degenerációja megszakad, hogy sok különálló szintet képezzen, amelyek csak kissé vannak elválasztva egymástól. Mivel két ellentétes spinű elektron ugyanazon a szinten tartózkodhat, annyi szint van, ahány elektronpár van a kristályban. Ez a degenerációs törés azonban nem befolyásolja a belső atomszinteket, amelyek szorosabban vannak kötve.
a legmagasabb energiasáv a vezetési sáv. Ebben a régióban az elektronok leválnak a szülő atomjaikról, és szabadon barangolhatnak az egész kristály körül. A vegyértéksávban lévő elektronok azonban szorosabban kötődnek egymáshoz, és kapcsolatban maradnak a megfelelő rácsatomokkal.
a rés és a sávok szélességét az atomok közötti rácsköz határozza meg. Ezek a paraméterek tehát a hőmérséklettől és a nyomástól függenek. A vezetőkben az energiarés nem létezik, míg a szigetelőkben a rés nagy.
normál hőmérsékleten a szigetelőben lévő elektronok általában mind a vegyértéksávban vannak, a hőenergia nem elegendő az elektronok gerjesztéséhez ezen a résen. Külső elektromos mező alkalmazása esetén tehát az elektronok nem mozognak a kristályon, így nincs áram. A vezető számára viszont a rés hiánya nagyon megkönnyíti a termikusan gerjesztett elektronok beugrását a vezetési sávba, ahol szabadon mozoghatnak a kristály körül. Ezután áram áramlik, amikor elektromos mezőt alkalmaznak.
félvezetőben az energiarés közepes méretű, így csak néhány elektron gerjesztődik a vezetési sávba hőenergiával. Elektromos mező alkalmazása esetén ezért kis áram figyelhető meg. Ha azonban a félvezetőt lehűtjük, szinte az összes elektron a vegyértéksávba esik, és a félvezető vezetőképessége csökken.
töltéshordozók félvezetőkben
0 K-nál, a félvezető legalacsonyabb energiaállapotában a vegyértéksávban lévő elektronok mind részt vesznek a rácsatomok közötti kovalens kötésben.
normál hőmérsékleten azonban a hőenergia hatása gerjeszthet egy vegyértékelektront a vezetési sávba, így lyuk marad az eredeti helyzetében. Ebben az állapotban a szomszédos vegyértékelektron könnyen ugrik a kötéséből, hogy kitöltse a lyukat. Ez most lyukat hagy a szomszédos helyzetben. Ha most a következő szomszédos elektron megismétli a szekvenciát stb., Úgy tűnik, hogy a lyuk áthalad a kristályon. Mivel a lyuk pozitív a vegyértéksávban lévő negatív elektronok tengeréhez képest, a lyuk pozitív töltéshordozóként működik, és a kristályon keresztüli mozgása elektromos áramot is képez.
félvezetőben az elektromos áram tehát két forrásból származik: a szabad elektronok mozgása a vezetősávban és a lyukak mozgása a vegyértéksávban. Ezt szembe kell állítani egy fémmel, ahol az áramot csak elektronok hordozzák.
a töltés létrehozásához szükséges energia a félvezetőkben hordoz
az E-h pár létrehozásához szükséges energia egy félvezetőben a közeget áthaladó töltött tömegrészecskével függ az anyag sávrés-energiájától, és így, bár csak kis mértékben, a hőmérséklettől.
ennek a mennyiségnek a mérései közel lineáris függést mutatnak a sávrés energiájától, és a különböző anyagokra kapott adatokhoz való lineáris illesztés
a töltéshordozó generálásához szükséges energia mindig nagyobb, mint a sávrés energiája a fonon-és plazmonállapotok esetleges további gerjesztése miatt. A fonon gerjesztés energiát továbbít a rácsba, és az átvitt energia végül hő formájában jelenik meg a detektorban.
a plazmon a vegyérték elektron sűrűségű oszcillációinak kvantumja, amelynek átlagos energiája 17 eV a szilícium esetében. A vegyértékelektronok az M-héj elektronjai, és csak gyengén kötődnek az atomokhoz. Így sűrű és közel homogén sűrűségű gáznak, azaz negatív töltéshordozók plazmájának tekinthetők a félvezető anyag térfogatában.
az E-h pár létrehozásához szükséges átlagos W energiát nagy energiájú töltött részecskékkel és röntgen fotonokkal végzett kísérletekben számították ki és mérték . Az E-H pár szilíciumban történő létrehozásához szükséges átlagos w energia w 3,68 ev.