struktura pasma energii
Półprzewodniki są materiałami krystalicznymi, których poziomy atomowe zewnętrznej powłoki wykazują strukturę pasma energii, składającą się z pasma walencyjnego, „zakazanej” luki energetycznej i pasma przewodnictwa.
pasma energii są w rzeczywistości regionami wielu dyskretnych poziomów, które są tak blisko siebie, że można je uznać za kontinuum, podczas gdy „zakazana” Luka energetyczna jest regionem, w którym nie ma w ogóle dostępnych poziomów energii. Ponieważ zasada Pauli zabrania więcej niż jednego elektronu w tym samym stanie, degeneracja w zewnętrznych poziomach energii powłoki atomowej ulega rozpadowi, tworząc wiele dyskretnych poziomów tylko nieznacznie oddzielonych od siebie. Ponieważ dwa elektrony o przeciwnym spinie mogą znajdować się na tym samym poziomie, istnieje tyle poziomów, ile par elektronów w krysztale. To złamanie degeneracji nie wpływa jednak na wewnętrzne poziomy atomowe, które są ściślej związane.
najwyższym pasmem energetycznym jest Pasmo przewodzenia. Elektrony w tym regionie są odłączone od swoich macierzystych atomów i swobodnie krążą po całym krysztale. Elektrony w poziomach pasma walencyjnego, jednak są bardziej ściśle związane i pozostają związane z ich odpowiednich atomów sieci.
szerokość szczeliny i pasm jest określona przez Odstępy siatki między atomami. Parametry te są więc zależne od temperatury i ciśnienia. W przewodnikach szczelina energetyczna nie istnieje, podczas gdy w izolatorach szczelina jest duża.
w normalnych temperaturach elektrony w izolatorze są zwykle w paśmie walencyjnym, energia cieplna jest niewystarczająca do wzbudzenia elektronów w tej szczelinie. W związku z tym, gdy stosowane jest zewnętrzne pole elektryczne, nie ma ruchu elektronów przez kryształ, a tym samym nie ma prądu. Dla przewodnika, z drugiej strony, brak szczeliny sprawia, że bardzo łatwo dla wzbudzonych termicznie elektronów wskoczyć do pasma przewodnictwa, gdzie są one swobodnie poruszać się po krysztale. Prąd popłynie wtedy, gdy pole elektryczne zostanie przyłożone.
w półprzewodniku Luka energetyczna jest średniej wielkości, tak że tylko kilka elektronów jest wzbudzonych do pasma przewodzenia przez energię cieplną. W przypadku zastosowania pola elektrycznego obserwuje się niewielki prąd. Jeśli jednak półprzewodnik zostanie schłodzony, prawie wszystkie elektrony wpadną do pasma walencyjnego, a przewodność półprzewodnika spadnie.
nośniki ładunku w półprzewodnikach
Przy 0 K, w najniższym stanie energetycznym półprzewodnika, elektrony w paśmie walencyjnym uczestniczą w kowalencyjnym wiązaniu między atomami sieci.
w normalnych temperaturach, jednak działanie energii cieplnej może wzbudzić elektron walencyjny do pasma przewodnictwa, pozostawiając dziurę w pierwotnej pozycji. W tym stanie łatwo jest sąsiednim elektronom walencyjnym skoczyć z wiązania, aby wypełnić dziurę. To teraz pozostawia dziurę w sąsiedniej pozycji. Jeśli następny sąsiedni elektron powtarza sekwencję i tak dalej, dziura wydaje się poruszać przez kryształ. Ponieważ dziura jest dodatnia w stosunku do morza ujemnych elektronów w paśmie walencyjnym, dziura działa jak dodatni nośnik ładunku, a jej ruch przez kryształ stanowi również prąd elektryczny.
w półprzewodniku prąd elektryczny powstaje więc z dwóch źródeł: ruch wolnych elektronów w paśmie przewodnictwa i ruch dziur w paśmie walencyjnym. Ma to być skontrastowane z metalem, w którym prąd jest przenoszony tylko przez elektrony.
energia potrzebna do wytworzenia ładunku przenosi w półprzewodnikach
energia w potrzebna do wytworzenia pary e-h w półprzewodniku przez naładowaną cząstkę masową przechodzącą przez medium zależy od energii przerwy pasmowej np. materiału, a zatem, choć tylko nieznacznie, od temperatury.
pomiary tej ilości wykazują prawie liniową zależność od energii szczeliny pasma, a liniowe dopasowanie do danych uzyskanych dla różnych materiałów daje
energia generowania nośnika ładunku jest zawsze wyższa niż energia szczeliny pasma ze względu na możliwe dodatkowe wzbudzenie Stanów fononu i plazmonu. Wzbudzenie fononu przenosi energię do sieci, a przekazywana energia pojawia się ostatecznie jako ciepło w detektorze.
plazmon jest kwantem oscylacji gęstości elektronów walencyjnych o średniej energii 17 eV dla krzemu. Elektrony walencyjne są te z M-shell i są one tylko słabo związane z atomami. Można je zatem uznać za gęsty i prawie jednorodny Gaz o gęstości, czyli plazmę nośników ładunku ujemnego w objętości materiału półprzewodnikowego.
średnia energia w do utworzenia pary e-h została obliczona i zmierzona w eksperymentach obejmujących wysokoenergetyczne cząstki naładowane i fotony rentgenowskie . Średnia energia w potrzebna do utworzenia pary e-h w krzemie wynosi w ≈3,68 eV.