10.2 : Podstawy półprzewodników

Istnieją różnice w przewodności elektrycznej materiałów — metali, półprzewodników i izolatorów, które przedstawiono za pomocą diagramów pasm energetycznych.

Metale takie jak miedź (Cu), cynk (Zn) lub ołów (Pb) mają niską rezystywność i charakteryzują się pasmami przewodnictwa, które albo nie są w pełni zajęte, albo pokrywają się z pasmem walencyjnym, przez co pasmo wzbronione nie istnieje. Umożliwia to elektronom o najwyższych poziomach energii pasma walencyjnego łatwe przejście do pasma przewodnictwa po uzyskaniu minimalnej energii kinetycznej z przyłożonego pola elektrycznego. W rezultacie, przy wielu dostępnych stanach bliskich wypełnionym, metale ułatwiają przepływ prądu elektrycznego.

Półprzewodniki mają wypełnione pasmo walencyjne i puste pasmo przewodnictwa oddzielone małą przerwą wzbronioną, rzędu 1 eV, co pozwala na termiczne wzbudzenie niektórych elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa w temperaturze pokojowej. Powoduje to umiarkowaną liczbę nośników ładunku, dzięki czemu półprzewodniki są bardziej przewodzące niż izolatory, ale mniej niż metale. Energia pasma wzbronionego jest różna dla półprzewodników i wynosi 1,12 eV dla krzemu (Si) i 1,42 eV dla arsenku galu (GaAs).

W izolatorach takich jak SiO_2 pasmo walencyjne jest wypełnione elektronami, a pasmo przewodnictwa jest puste. Izolatory mają dużą przerwę wzbronioną, co utrudnia wzbudzenie elektronów walencyjnych przez pasmo przewodnictwa w temperaturze pokojowej. Dzieje się tak, ponieważ elektrony walencyjne w izolatorach biorą udział w silnych wiązaniach kowalencyjnych i do rozerwania wymagają znacznej energii. Duża przerwa energetyczna oddziela wypełnione pasma walencyjne i puste pasma przewodnictwa, a energia cieplna w temperaturze pokojowej jest niewystarczająca do wzbudzenia elektronów przez tę szczelinę. W rezultacie bardzo niewiele elektronów jest dostępnych do przewodzenia, a materiał nie może skutecznie przewodzić prądu elektrycznego.