10.2 : Основы теории полупроводников

Существуют различия в электропроводности материалов — металлов, полупроводников и изоляторов, которые показаны с помощью диаграмм энергетических зон.

Такие металлы, как медь (Cu), цинк (Zn) или свинец (Pb), имеют низкое удельное сопротивление и имеют зоны проводимости, которые либо не полностью заполнены, либо перекрываются с валентной зоной, что делает запрещенную зону несуществующей. Это позволяет электронам на высших энергетических уровнях валентной зоны легко переходить в зону проводимости после получения минимальной кинетической энергии от приложенного электрического поля. В результате, поскольку многие доступные состояния близки к заполненным, металлы способствуют легкому прохождению электрического тока.

Полупроводники имеют заполненную валентную зону и пустую зону проводимости, разделенную небольшой запрещенной зоной, порядка 1 эВ, что позволяет некоторым валентным электронам термически возбуждаться, переходя в зону проводимости при комнатной температуре. Это приводит к умеренному количеству носителей заряда, что делает полупроводники более проводящими, чем изоляторы, но менее проводящими, чем металлы. Энергия запрещенной зоны варьируется для полупроводников, например, 1,12 эВ для кремния (Si) и 1,42 эВ для арсенида галлия (GaAs).

В изоляторах типа SiO2 валентная зона заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Изоляторы имеют большую запрещенную зону, что затрудняет возбуждение валентных электронов зоной проводимости при комнатной температуре. Это связано с тем, что валентные электроны в изоляторах участвуют в прочных ковалентных связях, и для их разрыва требуется значительная энергия. Большая энергетическая щель разделяет заполненную валентную и пустую зоны проводимости, и тепловой энергии при комнатной температуре недостаточно для возбуждения электронов через эту щель. В результате для проводимости доступно очень мало электронов, и материал не может эффективно проводить электрический ток.