structura benzii energetice
semiconductorii sunt materiale cristaline ale căror niveluri atomice exterioare prezintă o structură de bandă energetică, constând dintr-o bandă de valență, un decalaj energetic „interzis” și o bandă de conducere.
benzile energetice sunt de fapt regiuni ale multor niveluri discrete care sunt atât de strâns distanțate încât pot fi considerate ca un continuum, în timp ce decalajul energetic „interzis” este o regiune în care nu există deloc niveluri de energie disponibile. Deoarece principiul Pauli interzice mai mult de un electron în aceeași stare, degenerarea nivelurilor de energie ale învelișului atomic exterior se rupe pentru a forma multe niveluri discrete doar ușor separate unele de altele. Deoarece doi electroni de spin opus pot locui la același nivel, există la fel de multe niveluri pe cât există perechi de electroni în Cristal. Această rupere a degenerării nu afectează totuși nivelurile atomice interioare, care sunt mai strâns legate.
cea mai mare bandă de energie este banda de conducere. Electronii din această regiune sunt detașați de atomii lor părinți și sunt liberi să cutreiere întregul cristal. Cu toate acestea, electronii din nivelurile benzii de valență sunt mai strâns legați și rămân asociați cu atomii lor de rețea respectivi.
lățimea decalajului și a benzilor este determinată de distanța dintre zăbrele dintre atomi. Acești parametri depind astfel de temperatură și presiune. În conductori, decalajul energetic este inexistent, în timp ce în izolatori decalajul este mare.
la temperaturi normale, electronii dintr-un izolator sunt în mod normal toți în banda de valență, energia termică fiind insuficientă pentru a excita electronii peste acest decalaj. Prin urmare, atunci când se aplică un câmp electric extern, nu există nicio mișcare a electronilor prin cristal și, prin urmare, niciun curent. Pentru un conductor, pe de altă parte, absența unui decalaj face foarte ușor ca electronii excitați termic să sară în banda de conducere unde sunt liberi să se miște în jurul cristalului. Un curent va curge atunci când se aplică un câmp electric.
într-un semiconductor, decalajul energetic este intermediar în dimensiune, astfel încât doar câțiva electroni sunt excitați în banda de conducere de energie termică. Prin urmare, atunci când se aplică un câmp electric, se observă un curent mic. Cu toate acestea, dacă semiconductorul este răcit, aproape toți electronii vor cădea în banda de valență și conductivitatea semiconductorului va scădea.
purtători de sarcină în semiconductori
la 0 K, în cea mai mică stare de energie a semiconductorului, electronii din banda de valență participă cu toții la legătura covalentă dintre atomii de rețea.
la temperaturi normale, cu toate acestea, acțiunea energiei termice poate excita un electron de valență în banda de conducere lăsând o gaură în poziția sa inițială. În această stare, este ușor pentru un electron de valență vecin să sară din legătura sa pentru a umple gaura. Acest lucru lasă Acum o gaură în poziția vecină. Dacă acum următorul electron vecin repetă secvența și așa mai departe, gaura pare să se deplaseze prin cristal. Deoarece gaura este pozitivă în raport cu marea de electroni negativi din banda de valență, gaura acționează ca un purtător de sarcină pozitivă și mișcarea sa prin cristal constituie, de asemenea, un curent electric.
într-un semiconductor, curentul electric apare astfel din două surse: mișcarea electronilor liberi în banda de conducție și mișcarea găurilor în banda de valență. Acest lucru trebuie contrastat cu un metal în care curentul este transportat doar de electroni.
energia necesară pentru a crea sarcină transportă în semiconductori
energia w necesară pentru a crea o pereche e-h într-un semiconductor printr-o particulă de masă încărcată care traversează mediul depinde de energia gap-ului de bandă Eg a materialului și, prin urmare, deși doar puțin, de temperatură.
măsurătorile acestei cantități arată o dependență aproape liniară de energia decalajului de bandă, iar potrivirea liniară la datele obținute pentru diferite materiale dă
energia pentru generarea purtătorului de sarcină este întotdeauna mai mare decât energia decalajului de bandă datorită posibilei excitații suplimentare a stărilor de fonon și plasmon. Excitația fononică transferă energia către zăbrele, iar energia transferată apare în cele din urmă ca căldură în detector.
plasmonul este cuantumul oscilațiilor densității electronilor de valență cu o energie medie de 17 eV pentru siliciu. Electronii de valență sunt cei ai învelișului M și sunt legați doar slab de atomi. Astfel, ele pot fi considerate ca un gaz dens și aproape omogen, adică plasma purtătorilor de sarcină negativă din volumul materialului semiconductor.
energia medie W pentru a crea o pereche e-h a fost calculată și măsurată în experimente incluzând particule încărcate cu energie ridicată și fotoni cu raze X. Energia medie W necesară pentru a crea o pereche e-h în siliciu este w 3.68 ev.