energiebandstructuur
halfgeleiders zijn kristallijne materialen waarvan het atoomniveau in de buitenste schil een energiebandstructuur vertoont, bestaande uit een valentieband, een “verboden” energiekloof en een geleidingsband.
de energiebanden zijn in feite regio ‘ s met veel discrete niveaus die zo dicht bij elkaar liggen dat ze als een continuüm kunnen worden beschouwd, terwijl de “verboden” energiekloof een regio is waar helemaal geen beschikbare energieniveaus beschikbaar zijn. Aangezien het Pauli-principe meer dan één elektron in dezelfde toestand verbiedt, breekt de degeneratie in de buitenste atomaire schil-energieniveaus en vormen vele discrete niveaus die slechts licht van elkaar gescheiden zijn. Aangezien twee elektronen van tegengestelde spin op hetzelfde niveau kunnen wonen, zijn er evenveel niveaus als er paren van elektronen in het kristal zijn. Deze degeneratie breaking heeft echter geen invloed op de innerlijke atomaire niveaus, die strakker gebonden zijn.
de band met de hoogste energie is de geleidingsband. Elektronen in dit gebied zijn los van hun ouderatomen en zijn vrij om over het hele kristal te zwerven. De elektronen in de valentiebandniveaus zijn echter strakker gebonden en blijven geassocieerd met hun respectieve roosteratomen.
de breedte van de spleet en banden wordt bepaald door de afstand tussen de atomen. Deze parameters zijn dus afhankelijk van de temperatuur en de druk. Bij geleiders bestaat de energiekloof niet, terwijl bij isolatoren de kloof groot is.
bij normale temperaturen bevinden de elektronen in een isolator zich normaal gesproken allemaal in de valentieband, omdat de thermische energie onvoldoende is om elektronen over deze kloof te prikkelen. Wanneer een extern elektrisch veld wordt toegepast, is er dus geen beweging van elektronen door het kristal en dus geen stroom. Voor een geleider, aan de andere kant, maakt de afwezigheid van een spleet het heel gemakkelijk voor thermisch opgewonden elektronen om in de geleidingsband te springen waar ze vrij zijn om over het kristal te bewegen. Een stroom zal dan stromen wanneer een elektrisch veld wordt toegepast.
in een halfgeleider is de energiekloof zo groot dat slechts enkele elektronen door thermische energie in de geleidingsband worden opgewekt. Wanneer een elektrisch veld wordt toegepast, wordt daarom een kleine stroom waargenomen. Als de halfgeleider echter wordt gekoeld, zullen bijna alle elektronen in de valentieband vallen en zal de geleidbaarheid van de halfgeleider afnemen.
ladingsdragers in halfgeleiders
bij 0 K, in de laagste energietoestand van de halfgeleider, nemen de elektronen in de valentieband alle deel aan covalente binding tussen de roosteratomen.
bij normale temperaturen kan de werking van thermische energie echter een valentie-elektron in de geleidingsband opwekken en een gat in zijn oorspronkelijke positie achterlaten. In deze staat is het gemakkelijk voor een naburige valentie elektron om te springen van zijn band om het gat te vullen. Dit laat nu een gat in de naburige positie. Als nu het volgende naburige elektron de sequentie herhaalt enzovoort, lijkt het gat door het kristal te bewegen. Aangezien het gat positief is ten opzichte van de zee van negatieve elektronen in de valentieband, werkt het gat als een positieve ladingsdrager en vormt de beweging door het kristal ook een elektrische stroom.
in een halfgeleider ontstaat de elektrische stroom dus uit twee bronnen: de beweging van vrije elektronen in de geleidingsband en de beweging van gaten in de valentieband. Dit moet worden gecontrasteerd met een metaal waar de stroom alleen door elektronen wordt gedragen.
energie die nodig is om lading te creëren draagt in halfgeleiders
de energie die nodig is om een e-h-paar in een halfgeleider te creëren door een geladen massadeeltje dat het medium doorkruist, hangt af van de band gap energie Eg van het materiaal en dus, zij het slechts in geringe mate, van de temperatuur.
de metingen van deze hoeveelheid tonen een bijna lineaire afhankelijkheid van de energie van de bandkloof, en de lineaire aanpassing aan de gegevens die voor verschillende materialen zijn verkregen, geeft
de energie voor de opwekking van ladingsdragers is altijd hoger dan de energie van de bandkloof vanwege de mogelijke extra excitatie van fonon-en plasmotoestanden. Phonon excitatie brengt energie over naar het rooster, en de overgedragen energie verschijnt uiteindelijk als warmte in de detector.
het plasmon is het kwantum van de oscillaties van de valentie-elektronendichtheid met een gemiddelde energie van 17 eV voor silicium. De valentie-elektronen zijn die van de M-schil en zijn slechts zwak gebonden aan de atomen. Zij kunnen dus worden beschouwd als een dicht en bijna homogeen dichtheidsgas, d.w.z. plasma van negatieve ladingsdragers in het volume van het halfgeleidermateriaal.
de gemiddelde energie W voor het creëren van een e-h-paar is berekend en gemeten in experimenten met hoog-energetische geladen deeltjes en Röntgenfotonen . De gemiddelde energie die nodig is om een e-h-paar in silicium te creëren is w ≈3,68 eV.