10.1 : Podstawy półprzewodników

Izolowane atomy mają dyskretne poziomy energii, które są dobrze opisane przez model Bohra. I określa ilościowo energię elektronu w atomie wodoru jako E_n. Wyższe liczby kwantowe „n” dają mniej ujemne, bliższe poziomy energii elektronów.

Formowanie pasm:

Kiedy atomy zbliżają się do siebie, jak w ciele stałym, te dyskretne poziomy energii zaczynają się rozdzielać z powodu nakładania się orbitali elektronowych sąsiednich atomów. Podział ten wynika z zasady wykluczenia Pauliego, która stwierdza, że ​​żadne dwa elektrony nie mogą jednocześnie zajmować tego samego stanu kwantowego. W miarę łączenia większej liczby atomów wzrasta liczba dyskretnych poziomów energii, a podział staje się tak delikatny, że tworzy ciągłe pasmo energii. W pewnym punkcie, zwanym równowagową odległością międzyatomową, pasma te stają się pasmem walencyjnym wypełnionym elektronami i pasmem przewodnictwa, które jest puste w temperaturze zera absolutnego.

Pasma energetyczne w półprzewodnikach:

Struktura pasma energii jest bardziej złożona w półprzewodnikach, takich jak krzem, który ma 14 elektronów. Wewnętrzne 10 elektronów zajmuje głęboko leżące poziomy energii i nie bierze udziału w wiązaniu. Pozostałe cztery elektrony walencyjne, znajdujące się na podpowłokach 3s i 3p, określają właściwości chemiczne i elektryczne materiału. Gdy atomy krzemu tworzą sieć krystaliczną, podpowłoki 3s i 3p nakładają się na siebie i tworzą pasma. W odległości równowagi w krysztale pasma te zawierają 4N stanów dla pasma walencyjnego i 4N stanów dla pasma przewodnictwa, gdzie N jest liczbą atomów krzemu.

Rozmiar pasma zabronionego ma kluczowe znaczenie, ponieważ określa, jak łatwo elektrony mogą zostać wzbudzone do pasma przewodnictwa. To pasmo zabronione jest na tyle małe dla półprzewodników, że energia cieplna lub światło może wzbudzić elektrony w szczelinie, powodując przewodzenie elektryczne.