10.3 : יסודות מוליכים למחצה

מוליכים למחצה פנימיים הם חומרים טהורים ביותר ללא זיהומים. באפס המוחלט, מוליכים למחצה אלה מתנהגים כמבודדים מושלמים מכיוון שכל האלקטרונים הערכיים קשורים, ופס ההולכה ריק, מה שלא מאפשר הולכה חשמלית. רמת הפרמי היא מושג המשמש לתיאור ההסתברות לתפוסה של רמות אנרגיה על ידי אלקטרונים בשיווי משקל תרמי. במוליכים למחצה מהותיים, רמת הפרמי ממוקמת בנקודת האמצע של פער האנרגיה באפס מוחלט. כאשר הטמפרטורה של המוליך למחצה עולה, אנרגיה תרמית מעוררת כמה אלקטרונים מפס הערכיות לפס ההולכה, ויוצרת זוגות אלקטרון-חור (EHPs). יצירת EHPs מאפשרת הולכה מכיוון שהאלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות בפסי ההולכה וחורים יכולים לפעול כמו נושאי מטען חיובי בפס הערכיות.

ריכוז הנשא הפנימי, המסומן כ-ni, הוא מספר האלקטרונים החופשיים או החורים במוליך למחצה טהור בשיווי משקל תרמי. זהו ערך תלוי טמפרטורה וניתן לבטא אותו בנוסחה:

כאשר B הוא קבוע חומר, T הוא הטמפרטורה, E_g הוא אנרגיית פער הרצועה, ו-k הוא קבוע בולצמן.

בכל טמפרטורה מעל האפס המוחלט, EHPs נוצרים בקצב g_i, והם מתחברים מחדש בקצב r_i. כדי שהמוליך למחצה ישמור על שיווי משקל תרמי, קצבים אלה חייבים להיות שווים. קצב הרקומבינציה הוא פרופורציונלי למכפלת ריכוזי האלקטרון (n_0) והחור (p_0), המתוארים על ידי:

כאשר α_r הוא מקדם הרקומבינציה.

ניתן לשנות מוליכים למחצה פנימיים כדי להפוך למוליכים למחצה חיצוניים על ידי סימום, אשר מציג זיהומים כדי לשנות את התכונות החשמליות של החומר. אילוח של מוליכים למחצה מהותיים עם אטומים מחומשים יוצר חומרים מסוג N על ידי הוספת אלקטרונים חופשיים. לעומת זאת, חומרים דומים משולשים מניבים חומרים מסוג P עם חורים נפוצים, ומעבירים את רמת ה-Fermi לכיוון פס הערכיות, ובכך משנים את תכונות המוליכות של המוליך למחצה.