W ciele stałym pasma energetyczne o najniższych energiach są całkowicie zapełnione. Pasma o najwyższych energiach (odpowiadające w odosobnionym atomie stanom silnie wzbudzonym) są całkowicie puste. Zawsze istnieje jednak pasmo które jest, lub w odpowiednich warunkach może być, zapełnione częściowo. Pasmo takie odpowiada za przewodnictwo elektryczne ciała stałego, bo tylko elektrony o energiach zawartych w takim paśmie mogą pobierać energię od pola elektrycznego (rozpędzać się) i tracić ją w zderzeniach przechodząc do innych stanów energetycznych w obrębie tego samego pasma. Jeżeli spełniony jest warunek, że żaden elektron nie jest wzbudzony (0 K), to najwyżej położone pasmo energetyczne, w którym znajdują się elektrony nazywa się pasmem walencyjnym (podstawowym). Najniżej położone pasmo (w tych samych warunkach), w którym znajdują się nie obsadzone stany energetyczne, nazywa się pasmem przewodnictwa. W przewodnikach pasmo przewodnictwa nakłada się z pasmem podstawowym, więc istnieją elektrony swobodne, które mogą poruszać się pod wpływem pola elektrycznego (tworzą gaz elektronowy). W pozostałych materiałach (niemetalach) całkowicie puste pasmo przewodzenia oddzielone jest od całkowicie zapełnionego pasma podstawowego strefą (pasmem) wzbronioną (ΔE=W= ok. 2eV). ΔE jest to energia jaką musi posiadać elektron, żeby przejść z p-podst. do p-przew. Od szerokości W tej strefy zależy prawdop. przejścia elektronu z p-podst. do p-przew. Im szersza strefa i niższa temperatura, tym mniejsze prawdop. przejścia. Ze względu na pasmo wzbronione istnieje podział: półprzewodniki (W<2eV) i dielektryki (W>2eV).

Półprzewodniki samoistne - półprzewodniki w których w stanie wzbudzonym niektóre elektrony przechodzą z p-podst. do p-przew. sprawiając, że obydwa te pasma są nie w pełni obsadzone, czyli zdolne do przewodzenia (pary elektron - dziura). Półprzewodniki domieszkowe: typu n (negative) i p (positive). Typ n. Do sieci krystalicznej +4 Si wprowadzamy +5P. Atom fosforu z czterema elektronami (zjonizowany donor) wtapia się w sieć krystaliczną jak Si a piąty pozostaje słabo związany z atomem domieszki. Jego podstawowy poziom energetyczny znajduje się w p-wzbr. w odległości ΔEn=0,05eV od p-przew. (poziom donorowy). Wystarczy ΔEn<<ΔE aby nadmiarowy elektron związany z atomem domieszki przeszedł w p-przew. Za przewodnictwo w tym wypadku odpowiedzialne są prawie wyłącznie elektrony z p-przew. Nośnikami większościowymi są elektrony a mniejszościowymi dziury (wolne stany energetyczne w p-podst.). Typ p. Do sieci krystalicznej +4 Si wprowadzamy +3 Ba. Powstaje lokalny nie obsadzony poziom energetyczny (poziom akceptorowy) leżący w odległości ΔEp=0,08eV od p-podst. Wystarczy ΔEp<<ΔE aby elektron z p-podst. przeszedł do wolnego poziomu energetycznego związanego z atomem domieszki. Za to przewodnictwo odpowiedzialne są prawie wyłącznie elektrony z p-podst. które mogą zmieniać swą energię dzięki istniejącym dziurom w obrębie tego pasma. Nośnikami większościowymi są dziury a mniejszościowymi elektrony. Właściwości półprzewodników zależą od ilości nośników ładunków (swobodnych elektronów i dziur) w jednostce objętości półprzewodnika (koncentracja) oraz od łatwości przemieszczania się w półprzewodniku pod wpływem pola elektrycznego.

Koncentracja nośników. n i p to koncentracje nośników w półprzewodniku jednorodnym, nie zdegenerowanym w warunkach równowagi termodynamicznej. Prawo działania mas: jeżeli np. wskutek wprowadzenia odpowiednich domieszek ulegnie zwiększeniu koncentracja elektronów, to w tym samym stopniu zmniejszy się koncentracja dziur i odwrotnie. W samoisntnym n⋅p=n_i² (n_i - koncentracja samoistna). Wzór liczbowy: n_i = C⋅T^3/2⋅exp(-W_g/(2kT)). Koncentracja samoistna zależy silnie od wartości przerwy energetycznej i od temperatury. Im większa W_g tym mniejsza koncentracja par elektron - dziura. Im większa temperatura tym większa koncentracja samoistna. Ze wzrostem temperatury wzrasta szybkość generacji par elektron - dziura, a to pociąga za sobą wzrost n_i. Cztery rodzaje ładunków które zawsze pojawiają się parami: zjonizowane domieszki (donory i akceptory) oraz nośniki ładunku (swobodne elektrony i dziury). Dla półprzewodników jednorodnych, domieszkowych w stanie równowagi termodynamicznej jest spełniony warunek neutralności elektrycznej:

-q⋅n+q⋅p-q⋅N_a+q⋅N_d .Porównując z n⋅p=n_i² mamy:

n = (N_d-N_a)/2 + √(n_i² + ((N_d-N_a)/2)²)

p = (N_a-N_d)/2 + √(n_i² + ((N_a-N_d)/2)²)

N_d-N_a = N - efektywna koncentracja domieszek

Gdy N_a-N_d>>n_i to półprzewodnik typu p i p ≈ N_a-N_d n_p = n_i²/p_p Gdy N_d-N_a>>n_i to półprzewodnik typu n i n ≈ N_d-N_a p_n = n_i²/n_n Koncentracja nośników większościowych jest równa koncentracji domieszek i nie zależy od rodzaju półprzewodnika i temperatury. Koncentracja nośników mniejszościowych silnie zależy od rodzaju półprzewodnika i temperatury. Nośniki nadmiarowe zakłócają koncentrację nośników. Rekombinacja nośników. Bezpośrednia - bezpośrednie przejście elektronu z p-przew. do nie obsadzonego stanu w p-podst. w wyniku czego znika jeden elektron w p-przew. i jedna dziura w p-podst. Uwolniona energia zostaje uniesiona przez foton (rekombinacja promienista) albo zostaje przekazana innemu elektronowi w p-przew. lub dziurze w p-podst. (energia unoszona emitowane fonony). Pośrednia - przejście elektronu z p-przew. do p-podst. w sposób dwustopniowy, poprzez pewne zlokalizowane stany kwantowe zwane pułapkami a utworzone przez rózne rodzaje defektów struktury krystalicznej. Z pułapką związane są dyskretne poziomy energetyczne w przerwie energetycznej półprzewodnika. Mogą mieć charakter donorowy (w stanie obsadzenia przez elektrony są elektrycznie obojętne) lub akceptorowy (w stanie obsadzenia przez elektrony są zjonizowane). Są cztery rodzaje przejść elektronu. Wychwyt elektronu z p-przew. Elektron z p-przew. może przejść na nie obsadzony poziom pułapkowy W_t w wyniku czego elektron zostaje zlokalizowany w stanie pułapkowym a jego energia spada z wartości jaką miał w p-przew. do wartości W_t. Wyzwolona nadwyżka energii zostaje najczęściej zużyta na emisję pewnej liczby fononów. Emisja elektronu z poziomu pułapkowego do p-przew. gdy elektron schwytany w pułapkę zostaje z powrotem wzbudzony do p-przew. Wychwyt dziurowy - przejście elektronu ze stanu pułapkowego do p-podst. Emisja dziury z poziomu pułapkowego do p-podst. co jest równoważne przejściu elektronu z p-podst. na poziom pułapkowy. Wszystkie te 4 procesy zachodzą z pewną szybkością określającą liczbę przejść przypadających na jednostkę objętości półprzewodników i jednostkę czasu. Szybkości te zależą od koncentracji pułapek, ich własności fizycznych (między innymi od położenia poziomu W_t w stosunku do krawędzi pasm energetycznych) i od koncentracji nośników w poszczególnych pasmach. W stanie równowagi termodynamicznej 1 i 2 oraz 3 i 4 zachodzą z prawie takimi samymi szybkościami. Gdy nadmiar elektronów i dziur, to 1 i 3 zachodzą z większą intensywnością niż 2 i 4. Szybkość rekombinacji większa od szybkości generacji termicznej, co sprawia że rekombinacja staje się procesem przywracającym stan równowagi termodynamicznej w półprzewodniku. Gdy niedobór nośników, to 1 i 3 staje się mniej prawdopodobne od 2 i 4. Procesem dominującym staje się gen. Term.

---