Зонная структура

Как и другие твердые вещества, электроны в полупроводниках могут иметь энергию только в определенных зонах между энергией заземления, которой соответствуют электроны тесно связаные с атомным ядром материала, а также свободная энергия электрона - энергия, необходимая для полного вылета электрона из материала. Каждая из зон энергии соответствует большому числу дискретных квантовых состояний электронов, также большинство состояний с низкой энергией (расположенны ближе к ядру) заполнены до определенной оболочки, называемой валентной. Полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная оболочка в полупроводниковых материалах при обычных условиях эксплуатации почти заполнена, тем самым в зоне проводимости будет больше свободных электронов.

Легкость, с которой электроны в полупроводниковых могут возбудиться из валентной зоны в зону проводимости зависит от ширины запрещенной зоны между ними, она и определяет величину энергии запрещенной зоны, которая выступает в качестве произвольного разделительной линии (приблизительно 4 эВ) между полупроводниками и диэлектриками.

Для проведения электрического тока электроны должны двигаться из одного состояния в другое, и в соответствии с принципом запрета Паули полностью заполненные зоны не содействуют электропроводности. Тем не менее, как только температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля, диапазон значений энергий электронов в данной зоне увеличивается, и возникает вероятность того, что некоторые электроны могут иметь энергетическое состояние зоны проводимости, которая находится над валентной зоной. Токопроводящие электроны в зоне проводимости известны как "свободные электроны", хотя они и называются часто просто "электронами", но только если контекст позволяет это.

Электроны, перешедшие в зону проводимости, оставляют после себя электронные дырки, или, так называемые, свободные состояния в валентной оболочке. И зона проводимости электронов и валентная зона дырок способствуют электрической проводимости. В действительности дырки сами по себе не перемещаются, но находящийся по соседству электрон может заполнить эту дырку, оставляя в том месте откуда он пришел дырку, из этого следует, что дырки двигаются, они ведут себя так, как если бы они положительно заряженными частицами.

Одна ковалентная связь между соседними атомами в твердом теле в десять раз сильней в сравнении со связью одного электрона и атома, таким образом, освобождение электрона не подразумевает разрушение кристаллической решетки.

Понятие дырка, которое было представлено для полупроводников, может быть также применяться к металлам, где уровень Ферми лежит в пределах зоны проводимости. В большинстве металлов эффект Холла показывает, что электроны являются носителями заряда, однако некоторые металлы имеют почти полностью заполненую зону проводимости, в таком случае эффект Холла показывает, что они – носители положительного заряда, но не ионы, а дырки. Контрастируйте это к некоторым проводникам подобным растворам солей, или плазме. В случае с металлом, для электронов необходимо небольшое количество энергии, чтобы занять свободное состояние, то есть для протекания тока. Иногда даже в этом случае можно сказать, что дырка была оставлена, для объяснения, почему электрон не приобрел низкую энергию: он не может найти дырку. Наконец в обоих материалах электрон-фотонное рассеяние и дефекты являются доминирующими причинами сопротивления.

Распределение энергии электронов определяет какое из состояний заполнено, а какое пусто. Это распределение описывается статистикой Ферми-Дирака. Распределение характеризуется температурой электронов и энергией Ферми или уровенем Ферми. При абсолютно нулевом состоянии энергия Ферми может считаться энергией, до которой свободные электроны заняты. При повышенных температурах, энергия Ферми является энергией, при которой вероятность того, что состояние будет занято снижается до 0.5.

Зависимость распределения энергии электронов от температуры также объясняет, почему проводимость полупроводника имеет сильную температурную зависимость; полупроводник, работающий при пониженных температурах, будет иметь меньше доступных свободных электронов и дырок, способных совершать работу.