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10.1 : 半導体の基礎

孤立した原子は、ボーアの原子模型でよく説明される離散的なエネルギーレベルを持っています。また、ボーアの原子模型は水素原子の電子のエネルギーを E_n として定量化します。量子数「n」が高いほど、負の値が小さくなり、電子エネルギーレベルが近くなります。

バンド形成:

固体のように原子が接近すると、隣接する原子の電子軌道が重なり合うため、これらの離散的なエネルギーレベルが分裂し始めます。この分裂は、2 つの電子が同時に同じ量子状態を占めることはできないというパウリの排他原理によって発生します。結合する原子が増えるにつれて、離散的なエネルギーレベルの数が増え、分裂が非常に細かくなり、連続したエネルギーバンドが形成されます。平衡原子間距離と呼ばれる特定のポイントで、これらのバンドは、電子で満たされた価電子帯と、絶対零度で空になる伝導帯になります。

半導体のエネルギーバンド:

シリコンのような半導体では、エネルギーバンド構造はより複雑で、14 個の電子があります。内側の 10 個の電子は深いエネルギーレベルを占め、結合には寄与しません。残りの 4 個の価電子は 3s および 3p サブシェルにあり、材料の化学的および電気的特性を決定します。シリコン原子が結晶格子を形成すると、3s および 3p サブシェルが重なり合ってバンドを形成します。結晶内の平衡距離では、これらのバンドには価電子帯の 4N 状態と伝導帯の 4N 状態が含まれます (N はシリコン原子の数)。

バンドギャップの大きさは、電子が伝導帯に励起される容易さを決定するため、非常に重要です。このバンドギャップは半導体にとって十分に小さいため、熱エネルギーまたは光によってギャップを横切って電子が励起され、電気伝導が起こります。

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Energy BandsDiscrete Energy LevelsBohr ModelElectron Energy LevelsBand FormationPauli Exclusion PrincipleValence BandConduction BandSemiconductorsSiliconCrystal LatticeBandgap SizeElectrical ConductionThermal EnergyElectron Excitation

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