10.3 : Podstawy półprzewodników

Półprzewodniki wewnętrzne to materiały o wysokiej czystości, wolne od zanieczyszczeń. W temperaturze zera absolutnego te półprzewodniki zachowują się jak doskonałe izolatory, ponieważ wszystkie elektrony walencyjne są związane, a pasmo przewodnictwa jest puste, co uniemożliwia przewodzenie elektryczne. Poziom Fermiego to pojęcie używane do opisu prawdopodobieństwa zajęcia poziomów energetycznych przez elektrony w równowadze termicznej. W półprzewodnikach wewnętrznych poziom Fermiego znajduje się w środku przerwy energetycznej przy zera absolutnym. Kiedy temperatura półprzewodnika wzrasta, energia cieplna wzbudza część elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, tworząc pary elektron-dziura (EHP). Tworzenie EHP umożliwia przewodzenie, ponieważ elektrony mogą swobodnie poruszać się w paśmie przewodnictwa, a dziury mogą zachowywać się jak nośniki ładunku dodatniego w paśmie walencyjnym.

Wewnętrzne stężenie nośnika, oznaczane jako n_i, to liczba wolnych elektronów lub dziur w czystym półprzewodniku w równowadze termicznej. Jest to wartość zależna od temperatury i można ją wyrazić wzorem:

Gdzie B jest stałą materiałową, T jest temperaturą, E_g jest energią pasma wzbronionego, a k jest stałą Boltzmanna.

W dowolnej temperaturze powyżej zera absolutnego EHP powstają z szybkością g_i i rekombinują z szybkością r_i. Aby półprzewodnik zachował równowagę termiczną, szybkości te muszą być równe. Szybkość rekombinacji jest proporcjonalna do iloczynu stężeń elektronów (n_0) i dziur (p_0), opisanego wzorem:

gdzie α_r jest współczynnikiem rekombinacji.

Półprzewodniki wewnętrzne można przekształcić w półprzewodniki zewnętrzne poprzez domieszkowanie, które wprowadza zanieczyszczenia zmieniające właściwości elektryczne materiału. Domieszkowanie półprzewodników wewnętrznych atomami pięciowartościowymi tworzy materiały typu N poprzez dodanie wolnych elektronów. I odwrotnie, domieszki trójwartościowe dają materiały typu P z przeważającymi dziurami, przesuwając poziom Fermiego w kierunku pasma walencyjnego, modyfikując w ten sposób właściwości przewodzące półprzewodnika.