10.2 : יסודות מוליכים למחצה

קיימת שונות במוליכות החשמלית של חומרים - מתכות, מוליכים למחצה ומבודדים המוצגים לראווה בעזרת דיאגרמות פס האנרגיה.

למתכות כגון נחושת (Cu), אבץ (Zn) או עופרת (Pb) יש התנגדות נמוכה והן כוללות פסי הולכה שאינם תפוסים במלואם או חופפים לפסי הערכיות, מה שהופך את פער האנרגיה ללא קיים. זה מאפשר לאלקטרונים ברמות האנרגיה הגבוהות ביותר של פס הערכיות לעבור בקלות לפס ההולכה עם השגת אנרגיה קינטית מינימלית משדה חשמלי מופעל. כתוצאה מכך, עם מצבים זמינים רבים הקרובים למצבים מלאים, מתכות מקלות על זרימה קלה של זרם חשמלי.

למוליכים למחצה יש פס הערכיות מלא ופס הולכה ריק המופרדים על ידי פער אנרגיה קטן, בסדר גודל של 1 eV, המאפשר לכמה אלקטרוני ערכיות להיות מעוררים תרמית לפס ההולכה בטמפרטורת החדר. זה מביא למספר מתון של נושאי מטען, מה שהופך את המוליכים למחצה ליותר מוליכים מאשר מבודדים אך פחות ממתכות. אנרגיית פער הפס משתנה עבור מוליכים למחצה, כמו 1.12 eV עבור סיליקון (Si) ו-1.42 eV עבור גליום ארסניד (GaAs).

במבודדים כמו SiO₂, פס הערכיות מלא באלקטרונים, ופס ההולכה ריקה. למבודדים יש פער אנרגיה גדול, מה שמקשה על ריגוש של אלקטרוני ערכיות על ידי פס ההולכה בטמפרטורת החדר. הסיבה לכך היא שאלקטרוני הערכיות במבודדים מעורבים בקשרים קוולנטיים חזקים ודורשים אנרגיה משמעותית כדי להישבר. פער אנרגיה גדול מפריד בין הערכיות המלאות לבין פסי ההולכה הריקים, ואנרגיה תרמית בטמפרטורת החדר אינה מספיקה כדי לעורר אלקטרונים על פני פער זה. כתוצאה מכך, מעט מאוד אלקטרונים זמינים להולכה, והחומר אינו יכול להוליך זרם חשמלי ביעילות.