10.2 : Yarı İletkenlerin Temelleri

Enerji bant diyagramlarının yardımıyla gösterilen malzemelerin (metaller, yarı iletkenler ve yalıtkanlar) elektriksel iletkenliğinde farklılıklar vardır.

Bakır (Cu), çinko (Zn) veya kurşun (Pb) gibi metaller düşük dirençlidir ve iletim bantları ya tam olarak dolmaz ya da valans bandıyla örtüşür, bu da bant aralığını ortadan kaldırır. Bu, valans bandının en yüksek enerji seviyelerindeki elektronların, uygulanan bir elektrik alanından minimum kinetik enerji kazanması üzerine kolayca iletim bandına geçmesine olanak tanır. Sonuç olarak, dolu duruma yakın birçok mevcut durumla metaller, elektrik akımının kolay akışını kolaylaştırır.

Yarıiletkenler, bazı değerlik elektronlarının oda sıcaklığında iletim bandına termal olarak uyarılmasına izin veren, 1 eV düzeyinde küçük bir bant aralığıyla ayrılmış dolu bir değerlik bandına ve boş bir iletken bandına sahiptir. Bu, yarı iletkenleri yalıtkanlardan daha iletken, ancak metallerden daha az iletken hale getiren makul sayıda yük taşıyıcıyla sonuçlanır. Bant aralığı enerjisi yarı iletkenler için değişir; silikon (Si) için 1,12 eV ve galyum arsenit (GaAs) için 1,42 eV gibi.

SiO_2 gibi yalıtkanlarda değerlik bandı elektronlarla doludur, iletim bandı ise boştur. Yalıtkanların geniş bir bant aralığı vardır, bu da değerlik elektronlarının oda sıcaklığında iletim bandı tarafından uyarılmasını zorlaştırır. Bunun nedeni, yalıtkanlardaki değerlik elektronlarının güçlü kovalent bağlarda yer alması ve kırılması için önemli miktarda enerji gerektirmesidir. Dolu değerlik ve boş iletim bantlarını büyük bir enerji boşluğu ayırır ve oda sıcaklığındaki termal enerji, elektronları bu boşluk boyunca uyarmak için yetersizdir. Sonuç olarak iletim için çok az elektron kalır ve malzeme elektrik akımını etkili bir şekilde iletemez.