energibandstruktur
halvledare är kristallina material vars yttre skal atomnivåer uppvisar en energibandstruktur, bestående av ett valensband, ett ”förbjudet” energigap och ett ledningsband.
energibanden är faktiskt regioner med många diskreta nivåer som är så nära åtskilda att de kan betraktas som ett kontinuum, medan det ”förbjudna” energigapet är en region där det inte finns några tillgängliga energinivåer alls. Eftersom Pauli-principen förbjuder mer än en elektron i samma tillstånd bryts degenerationen i de yttre atomskalens energinivåer för att bilda många diskreta nivåer som bara är något separerade från varandra. Eftersom två elektroner med motsatt spinn kan ligga på samma nivå finns det lika många nivåer som det finns par elektroner i kristallen. Denna degenerationsbrott påverkar dock inte de inre atomnivåerna, som är tätare bundna.
det högsta energibandet är ledningsbandet. Elektroner i denna region är fristående från sina förälderatomer och är fria att ströva om hela kristallen. Elektronerna i valensbandnivåerna är emellertid tätare bundna och förblir associerade med sina respektive gitteratomer.
bredden på gapet och banden bestäms av gitteravståndet mellan atomerna. Dessa parametrar är således beroende av temperaturen och trycket. I ledare är energiklyftan obefintlig, medan i isolatorer är gapet stort.
vid normala temperaturer är elektronerna i en isolator normalt alla i valensbandet, termisk energi är otillräcklig för att excitera elektroner över detta gap. När ett externt elektriskt fält appliceras finns det därför ingen rörelse av elektroner genom kristallen och därmed ingen ström. För en ledare gör å andra sidan frånvaron av ett gap det mycket lätt för termiskt upphetsade elektroner att hoppa in i ledningsbandet där de är fria att röra sig om kristallen. En ström kommer då att flöda när ett elektriskt fält appliceras.
i en halvledare är energigapet mellanliggande i storlek så att endast ett fåtal elektroner exciteras in i ledningsbandet med termisk energi. När ett elektriskt fält appliceras observeras därför en liten ström. Om halvledaren kyls kommer emellertid nästan alla elektroner att falla in i valensbandet och halvledarens konduktivitet minskar.
laddningsbärare i halvledare
vid 0 K, i halvledarens lägsta energitillstånd, deltar elektronerna i valensbandet alla i kovalent bindning mellan gitteratomerna.
vid normala temperaturer kan emellertid verkan av termisk energi excitera en valenselektron i ledningsbandet och lämna ett hål i sin ursprungliga position. I detta tillstånd är det lätt för en närliggande valenselektron att hoppa från sin bindning för att fylla hålet. Detta lämnar nu ett hål i grannläget. Om nu nästa angränsande elektron upprepar sekvensen och så vidare verkar hålet röra sig genom kristallen. Eftersom hålet är positivt i förhållande till havet av negativa elektroner i valensbandet, fungerar hålet som en positiv laddningsbärare och dess rörelse genom kristallen utgör också en elektrisk ström.
i en halvledare uppstår således den elektriska strömmen från två källor: rörelsen av fria elektroner i ledningsbandet och rörelsen av hål i valensbandet. Detta ska kontrasteras med en metall där strömmen endast bärs av elektroner.
energi som behövs för att skapa laddning bär i halvledare
energin W som krävs för att skapa ett e-h-par i en halvledare genom en laddad masspartikel som passerar mediet beror på bandgapets energi, t.ex. av materialet och därmed, även om det bara är något, på temperaturen.
mätningarna av denna kvantitet visar ett nästan linjärt beroende av bandgapsenergin, och den linjära passningen till data som erhållits för olika material ger
energin för laddningsbärargenerering är alltid högre än bandgapsenergin på grund av den möjliga ytterligare excitationen av fonon-och plasmontillstånd. Phonon excitation överför energi till gallret, och den överförda energin visas slutligen som värme i detektorn.
plasmonen är kvanten av valenselektrondensitetsoscillationerna med en genomsnittlig energi på 17 eV för kisel. Valenselektronerna är de hos M-skalet och de är bara svagt bundna till atomerna. Således kan de betraktas som en tät och nästan homogen densitetsgas, dvs plasma av negativa laddningsbärare i halvledarmaterialvolymen.
den genomsnittliga energin W för att skapa ett e-h-par har beräknats och uppmätts i experiment inklusive hög energi laddade partiklar och Röntgenfotoner . Den genomsnittliga energin W som krävs för att skapa ett e-h-par i kisel är w 2,68 ev.