10.1 : יסודות המוליך למחצה

לאטומים מבודדים יש רמות אנרגיה בדידות שמתוארות היטב במודל בוהר. והוא מכמת את האנרגיה של אלקטרון באטום מימן כ-E_n. מספרים קוונטיים גבוהים יותר 'n' מניבים פחות רמות אנרגיית אלקטרונים שליליות וקרובות יותר.

פסי אנרגיה:

כאשר מקרבים אטומים זה לזה, כמו במוצק, רמות האנרגיה הבדידות הללו מתחילות להתפצל עקב חפיפה של אורביטלים אלקטרונים מאטומים סמוכים. פיצול זה מתרחש בגלל עקרון ההדרה של פאולי, הקובע כי אין שני אלקטרונים שיכולים לתפוס בו זמנית את אותו מצב קוונטי. ככל שאטומים נוספים משולבים, מספר רמות האנרגיה הבדידות גדל, והפיצול הופך עד כדי כך שהוא יוצר פסי אנרגיה רציפה. בנקודה מסוימת, המכונה המרחק הבין-אטומי של שיווי המשקל, הפסים הללו הופכים לפסים הערכיותיים, המלאים באלקטרונים, ולפסים ההולכה, הריקה בטמפרטורת האפס המוחלטת.

פסי אנרגיה במוליכים למחצה:

מבנה פס האנרגיה מורכב יותר במוליכים למחצה כמו סיליקון, שיש לו 14 אלקטרונים. 10 האלקטרונים הפנימיים תופסים את רמות האנרגיה העמוקות ואינם תורמים לחיבור. ארבעת האלקטרונים הערכיים הנותרים, שנמצאים בתת-קליפות 3s ו-3p, קובעים את התכונות הכימיות והחשמליות של החומר. כאשר אטומי סיליקון יוצרים סריג גביש, תת-הקונכיות 3s ו-3p חופפות ויוצרות להקות. במרחק שיווי המשקל בגביש, פסים אלו מכילים 4N מצבים לפס הערכיות, ו-4N מצבים לפס ההולכה, כאשר N הוא מספר אטומי הסיליקון.

פער האנרגיה הוא קריטי מכיוון שהוא קובע באיזו קלות ניתן לעורר אלקטרונים לפסי ההולכה. פער האנרגיה זה קטן מספיק עבור מוליכים למחצה שאנרגיה תרמית או אור יכולים לעורר אלקטרונים על פני הפער, וכתוצאה מכך גורמת להולכה חשמלית.