estrutura de banda de energia
semicondutores são materiais cristalinos cujos níveis atômicos exteriores exibem uma estrutura de banda de energia, consistindo de uma banda de Valência, um intervalo de energia “proibido” e uma banda de condução.
as bandas de energia são, na verdade, regiões de muitos níveis discretos que são tão espaçados que podem ser considerados como um continuum, enquanto a lacuna de energia “Proibida” é uma região na qual não há níveis de energia disponíveis em todos. Uma vez que o princípio de Pauli proíbe mais de um elétron no mesmo estado, a degeneração nos níveis externos de energia da concha atômica quebra para formar muitos níveis discretos apenas ligeiramente separados um do outro. Como dois elétrons de spin oposto podem residir no mesmo nível, há tantos níveis como existem pares de elétrons no cristal. Esta quebra de degeneração não afeta os níveis atômicos internos, no entanto, que estão mais estreitamente ligados.
a maior banda de energia é a banda de condução. Elétrons nesta região são separados de seus átomos-mãe e são livres para percorrer todo o cristal. Os elétrons nos níveis da banda de Valência, no entanto, estão mais estreitamente ligados e permanecem associados a seus respectivos átomos de retículo.
a largura da abertura e das bandas é determinada pelo espaçamento entre os átomos. Estes parâmetros dependem, portanto, da temperatura e da pressão. Em condutores, o gap de energia é inexistente, enquanto em isoladores o gap é grande.
a temperaturas normais, os elétrons em um isolador são normalmente todos na banda de Valência, sendo a energia térmica insuficiente para excitar elétrons através desta lacuna. Quando um campo elétrico externo é aplicado, portanto, não há movimento de elétrons através do cristal e, portanto, não há corrente. Para um condutor, por outro lado, a ausência de um gap torna muito fácil para elétrons termicamente excitados Saltar para a banda de condução, onde eles são livres para se mover sobre o cristal. Uma corrente então fluirá quando um campo elétrico é aplicado.
em um semicondutor, o gap de energia é intermediário em tamanho tal que apenas alguns elétrons são excitados na banda de condução por energia térmica. Quando um campo elétrico é aplicado, portanto, uma pequena corrente é observada. Se o semicondutor for resfriado, no entanto, quase todos os elétrons cairão na banda de Valência e a condutividade do semicondutor diminuirá.
Portadores de carga em semicondutores
a 0 K, no estado de energia mais baixo do semicondutor, os elétrons na banda de Valência todos participam da ligação covalente entre os átomos da rede.
a temperaturas normais, no entanto, a ação da energia térmica pode excitar um elétron de Valência na banda de condução deixando um buraco na sua posição original. Neste estado, é fácil para um elétron de Valência vizinho saltar de sua ligação para preencher o buraco. Isso agora deixa um buraco na posição vizinha. Se agora o próximo electrão vizinho repete a sequência e assim por diante, o buraco parece mover-se através do cristal. Uma vez que o buraco é positivo em relação ao mar de elétrons negativos na banda de Valência, o buraco age como um portador de carga positiva e seu movimento através do cristal também constitui uma corrente elétrica.
em um semicondutor, a corrente elétrica assim surge de duas fontes: the movement of free electrons in the conduction band and the movement of holes in the valence band. Isto deve ser contrastado com um metal onde a corrente é transportada apenas por elétrons.
a energia necessária para criar carga transporta em semicondutores
a energia necessária para criar um par e-h em um semicondutor por uma partícula de massa carregada atravessando o meio depende da energia do intervalo de banda Eg do material e, portanto, embora apenas ligeiramente, da temperatura.
As medições de quantidade mostrar uma dependência quase linear na banda de gap de energia, e o ajuste linear para os dados obtidos para os diferentes materiais dá
A energia para a carga do portador de geração é sempre maior do que a banda de gap de energia, devido à possibilidade de mais de excitação do phonon e do plasmão de estados. A excitação do fonão transfere energia para a rede, e a energia transferida aparece finalmente como calor no detector.
o plasma é o quântico das oscilações de densidade de elétrons de Valência com uma energia média de 17 eV para o silício. Os elétrons de Valência são os da concha-M e estão apenas fracamente ligados aos átomos. Assim, podem ser considerados como um gás de densidade denso e quase homogêneo, ou seja, plasma de portadores de carga negativa no volume do material semicondutor.
a energia média W para criar um par e-h foi calculada e medida em experiências, incluindo partículas carregadas de alta energia e fótons de raios-X. A energia média W necessária para criar um par e-h em silício é w ≈3,68 eV.