Чисти полупроводник

Као што је и раније помињано, наелектрисане честице атома су електрони (-) и протони (+). Електрони се налазе у омотачу а протони су у језгру атома и не могу га напустити.

Електрони у омотачу револвирају око језгра атома, али нису сви једнаки. Наиме електрони су организовани у енергетске нивое према томе колику енергију посједују. Електрони са већом енергијом су на вишим енергетским нивоима и удаљенији су од језгра. Обрнуто важи за атоме са мањом енергијом.

Највиши ниво се назива валентни ниво. Електрони овог нивоа учествују у стварању ковалентне везе између атома, чиме настају молекули. Електрони овог нивоа ако добију довољно енергије, могу прећи у проводни енергетски ниво и тиме постати слободна наелектрисања. Слободна наелектрисања су наелектрисања која чине електричну струју.

Различити атоми имају различито распоређене енергетске нивое, а тиме и различито распоређене валентне и проводне нивое.

Слика 15 Валентни и проводни нивои код проводника, полупроводника и изолатора.

Слика 15 приказује проводне и валентне нивое код проводника, полупроводника и изолатора. На слици је означена Фермијева енергија, која показује колику енергију честица треба да има да би напустила атом. Као што се на слици види, код проводника проводни и валентни нивои се преклапају, што омогућава великом броју валентних електрона проводника да напусте атоме и постану слободни. Ово је разлог зашто проводници имају велики број слободних електрона.

Код изолатора проводни и валентни нивои се не преклапају, већ штавише су веома удаљени. Разлика у енергији између врха валентне зоне и дна проводне зоне се назива енергетским процјепом. Енергетски процјеп показује колику енергију треба дати електрону да би имао шансу да пређе из валентне у проводну зону. Овај процјеп не постоји код проводника а велики је код изолатора. Због овога, потребно је веома јако електрично поље (или висока температура) да би се исчупали електрони из валентне области изолатора.

Код полупроводника проводна и валентна зона су раздвојене на 0K, али већ на собној температури ће се помало преклапати. Ово значи да је енергетски процјеп веома мали (0K) или непостојећи (собна температура), тако да значајан број електрона добијају довољно енергије да прескоче у проводну зону. Наравно ово није ни близу томе колико се ове области преклапању код проводника и стога је број слободних електрона увјек много мањи него код проводника и тиме је отпорност већа.

Структура полупроводника

Полупроводник који најчешће користимо у електроници је силицијум (Si).

Атоми силицијума имају 4 валентна електрона. Силицијум би жељео да има 8 валентних електрона како би попунио валентни ниво. Стога са своја 4 сусједа ствара 4 ковалентне везе што му омогућава да подјели своје електроне са другима и од њих добије њихове електроне. На овај начин силицијум добија 4 електрона која му треба и твори кристалну решетку, што чини силицијум чврстим.

Слика 16 Атоми силицијума, њихови валентни електрони и ковалентне везе између њих

Слика 16 ово графички приказује. Тачке представљају валентне електроне док испрекидане линије обиљежавају ковалентне везе. Предмет сваке ковалентне везе је дијељење два електрона.

Слика 17 Настанак шупљине

Када један од валентних електрона силицијума добије довољно енергије он постаје слободан електрон и напушта атом. Атом кога је напустио електрон, сада има један електрон мање од броја протона и постаје позитиван јон. Настанком тог једног слободног електрона такође настаје празно мјесто у валентном нивоу атома. Ову празнину називамо шупљина. Атом би веома волио да попуни шупљину неким електроном. Пошто су атоми са шупљинама позитивни, шупљину можемо донекле сматрати позитивним наелектрисањем.

Слободни електрони могу да изгубе енергију и буду приморани да се придруже неком атому и попуне његову шупљину. Овај процес се зове рекомбинација и доводи до тога да се један електрон шупљина пар поништи. Након рекомбинације имаћемо један мање електрон и једну мање шупљину.

Зато што сваки пут када настане један слободни електрон у полупроводницма настаје и једна шупљина, број слободних електрона и шупљина је једнак у чистом силицијуму. Број шупљина и слободних електрона је веома мали због постојања енергетског процјепа или малог преклапања проводне и валентне зоне.