Energy band structure
I semiconduttori sono materiali cristallini i cui livelli atomici del guscio esterno presentano una struttura a banda di energia, costituita da una banda di valenza, un gap energetico “proibito” e una banda di conduzione.
Le bande di energia sono in realtà regioni di molti livelli discreti che sono così ravvicinati da poter essere considerati come un continuum, mentre il divario energetico “proibito” è una regione in cui non ci sono livelli di energia disponibili. Poiché il principio di Pauli proibisce più di un elettrone nello stesso stato, la degenerazione nei livelli di energia del guscio atomico esterno si rompe per formare molti livelli discreti solo leggermente separati l’uno dall’altro. Poiché due elettroni di spin opposto possono risiedere nello stesso livello, ci sono tanti livelli quanti sono le coppie di elettroni nel cristallo. Questa rottura della degenerazione non influisce sui livelli atomici interni, tuttavia, che sono più strettamente legati.
La più alta banda di energia è la banda di conduzione. Gli elettroni in questa regione sono staccati dai loro atomi genitori e sono liberi di vagare per l’intero cristallo. Gli elettroni nei livelli di banda di valenza, tuttavia, sono più strettamente legati e rimangono associati ai rispettivi atomi di reticolo.
La larghezza dello spazio e delle bande è determinata dalla spaziatura del reticolo tra gli atomi. Questi parametri dipendono quindi dalla temperatura e dalla pressione. Nei conduttori, il divario di energia è inesistente, mentre negli isolanti il divario è grande.
A temperature normali, gli elettroni in un isolante sono normalmente tutti nella banda di valenza, l’energia termica è insufficiente per eccitare gli elettroni attraverso questo divario. Quando viene applicato un campo elettrico esterno, quindi, non vi è alcun movimento di elettroni attraverso il cristallo e quindi nessuna corrente. Per un conduttore, d’altra parte, l’assenza di un gap rende molto facile per gli elettroni eccitati termicamente saltare nella banda di conduzione dove sono liberi di muoversi sul cristallo. Una corrente fluirà quindi quando viene applicato un campo elettrico.
In un semiconduttore, il divario energetico è di dimensioni intermedie tale che solo pochi elettroni sono eccitati nella banda di conduzione dall’energia termica. Quando viene applicato un campo elettrico, quindi, si osserva una piccola corrente. Se il semiconduttore viene raffreddato, tuttavia, quasi tutti gli elettroni cadranno nella banda di valenza e la conduttività del semiconduttore diminuirà.
Portatori di carica nei semiconduttori
A 0 K, nello stato energetico più basso del semiconduttore, gli elettroni nella banda di valenza partecipano tutti al legame covalente tra gli atomi del reticolo.
A temperature normali, tuttavia, l’azione dell’energia termica può eccitare un elettrone di valenza nella banda di conduzione lasciando un foro nella sua posizione originale. In questo stato, è facile per un elettrone di valenza vicino saltare dal suo legame per riempire il buco. Questo ora lascia un buco nella posizione vicina. Se ora il prossimo elettrone vicino ripete la sequenza e così via, il buco sembra muoversi attraverso il cristallo. Poiché il foro è positivo rispetto al mare di elettroni negativi nella banda di valenza, il foro agisce come un vettore di carica positiva e il suo movimento attraverso il cristallo costituisce anche una corrente elettrica.
In un semiconduttore, la corrente elettrica deriva quindi da due fonti: il movimento degli elettroni liberi nella banda di conduzione e il movimento dei fori nella banda di valenza. Questo deve essere contrastato con un metallo in cui la corrente è trasportata solo dagli elettroni.
Energia necessaria per creare carica trasporta in semiconduttori
L’energia W necessaria per creare una coppia e-h in un semiconduttore da una particella di massa carica che attraversa il mezzo dipende dalla banda gap energia ad esempio del materiale e quindi, anche se solo leggermente, sulla temperatura.
Le misurazioni di questa quantità mostrano una dipendenza quasi lineare dall’energia del band gap, e l’adattamento lineare ai dati ottenuti per diversi materiali dà
L’energia per la generazione del vettore di carica è sempre superiore all’energia del band gap a causa della possibile eccitazione aggiuntiva degli stati di fonone e plasmone. L’eccitazione del fonone trasferisce energia al reticolo e l’energia trasferita appare infine come calore nel rivelatore.
Il plasmone è il quantum delle oscillazioni di densità elettronica di valenza con un’energia media di 17 eV per il silicio. Gli elettroni di valenza sono quelli del guscio M e sono solo debolmente legati agli atomi. Pertanto, possono essere considerati come un gas a densità densa e quasi omogenea, cioè plasma di portatori di carica negativa nel volume del materiale semiconduttore.
L’energia media W per creare una coppia e-h è stata calcolata e misurata in esperimenti tra cui particelle cariche ad alta energia e fotoni a raggi X. L’energia media W necessaria per creare una coppia e-h in silicio è W ≈3,68 eV.