energibåndstruktur
Halvledere Er krystallinske materialer hvis ytre skallatomnivåer viser en energibåndstruktur, bestående av et valensbånd, et «forbudt» energigap og et ledningsbånd.
energibåndene er faktisk regioner med mange diskrete nivåer som er så nær avstand at de kan betraktes som et kontinuum, mens det «forbudte» energigapet er en region der det ikke er tilgjengelige energinivåer i det hele tatt. Siden pauli-prinsippet forbyr mer enn ett elektron i samme tilstand, bryter degenerasjonen i de ytre atomskallets energinivåer for å danne mange diskrete nivåer bare litt skilt fra hverandre. Som to elektroner av motsatt spinn kan ligge på samme nivå, er det så mange nivåer som det er par elektroner i krystallet. Denne degenerasjonsbrytingen påvirker imidlertid ikke de indre atomnivåene, som er tettere bundet.
det høyeste energibåndet er ledningsbåndet. Elektroner i denne regionen er løsrevet fra deres overordnede atomer og er fri til å streife rundt hele krystallet. Elektronene i valensbåndsnivåene er imidlertid tettere bundet og forblir forbundet med deres respektive gitteratomer.
bredden på gapet og båndene bestemmes av gitteravstanden mellom atomene. Disse parametrene er således avhengig av temperatur og trykk. I ledere er energigapet ikke-eksisterende, mens i isolatorer er gapet stort.
ved normale temperaturer er elektronene i en isolator normalt alle i valensbåndet, termisk energi er utilstrekkelig til å spenne elektroner over dette gapet. Når et eksternt elektrisk felt påføres, er det derfor ingen bevegelse av elektroner gjennom krystallet og dermed ingen strøm. For en leder, derimot, gjør fraværet av et gap det veldig enkelt for termisk spente elektroner å hoppe inn i ledningsbåndet der de er fri til å bevege seg rundt krystallet. En strøm vil da strømme når et elektrisk felt påføres.
i en halvleder er energigapet mellomliggende i størrelse slik at bare noen få elektroner blir begeistret i ledningsbåndet av termisk energi. Når et elektrisk felt påføres, observeres derfor en liten strøm. Hvis halvlederen avkjøles, vil imidlertid nesten alle elektronene falle inn i valensbåndet og ledningsevnen til halvlederen vil redusere.
Ladningsbærere i halvledere
Ved 0 K, i halvlederens laveste energitilstand, deltar elektronene i valensbåndet alle i kovalent binding mellom gitteratomer.
ved normale temperaturer kan virkningen av termisk energi imidlertid opphisse et valenselektron inn i ledningsbåndet og etterlate et hull i sin opprinnelige posisjon. I denne tilstanden er det lett for en nærliggende valenselektron å hoppe fra bindingen for å fylle hullet. Dette etterlater nå et hull i nabostillingen. Hvis nå neste naboelektron gjentar sekvensen og så videre, ser hullet ut til å bevege seg gjennom krystallet. Siden hullet er positivt i forhold til havet av negative elektroner i valensbåndet, virker hullet som en positiv ladningsbærer, og bevegelsen gjennom krystallet utgjør også en elektrisk strøm.
i en halvleder oppstår den elektriske strømmen fra to kilder: bevegelsen av frie elektroner i ledningsbåndet og bevegelsen av hull i valensbåndet. Dette skal kontrasteres med et metall hvor strømmen bare bæres av elektroner.
Energi som trengs for å skape ladning bærer i halvledere
energien W som kreves For å skape et e-h-par i en halvleder av en ladet massepartikkel som krysser mediet, avhenger av båndgapenergien, For eksempel av materialet og dermed, selv om det bare er litt, på temperaturen.
målingene av denne mengden viser en nesten lineær avhengighet av båndgapenergien, og den lineære passformen til dataene som er oppnådd for forskjellige materialer gir
energien for ladningsbærergenerering er alltid høyere enn båndgapenergien på grunn av mulig ekstra eksitering av fonon-og plasmon-tilstander. Phonon excitation overfører energi til gitteret, og den overførte energien vises endelig som varme i detektoren.
plasmon er kvantum av valenselektrondensitetssvingninger med en gjennomsnittlig energi på 17 eV for silisium. Valenselektronene er De Av M-skallet og de er bare svakt bundet til atomene. Dermed kan de betraktes som en tett og nesten homogen tetthetsgass, dvs. plasma av negative ladningsbærere i halvledermaterialets volum.
den gjennomsnittlige energien W for å lage et e-h-par er beregnet og målt i eksperimenter, inkludert høyenergiladede partikler og Røntgenfotoner . Den gjennomsnittlige energien W som kreves For å opprette et e-h-par i silisium Er w ≈3.68 eV.