чем обусловлена / Справочник :: Бингоскул

Собственная и примесная проводимость полупроводников: чем обусловлена

добавить в закладки удалить из закладок

Содержание:

Полупроводники отличаются от проводниковых материалов возможностью тонкого управления их проводимостью. Она зависит от веществ, из которых изготовлен материал, и внешних условий, например, температуры, и типа носителей заряда. Рассмотрим, какой полупроводник называется собственным, какой – примесным. Разберёмся с их особенностями и отличиями.

Собственная и примесная электропроводность полупроводников

Валентная зона с зоной проводимости материалов, которые пропускают электрический ток, перекрывают одна другую. В диэлектриках есть широкая запрещённая зона, у полупроводников она также присутствует, однако она узкая. Значит, при определённых условиях носители зарядов могут переходить из валентной в зону проводимости. Для перехода из первой во вторую электрону необходимо придать дополнительную энергию.

Проводимость полупроводников – это способность передавать электрическую волновую энергию, она определяет возникновение в материалах электротока под действием электрических полей. Величина обратно пропорциональна сопротивлению материала. Наиболее распространённые материалы с узкой запрещённой зоной – кремний и германий. Существует два вида проводимости полупроводников: собственная (чистая) и примесная.

Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников

В образцовом кристалле ток проводится в равной мере заряженными частицами – электронами и так называемыми дырками. Рассмотрим на примере кристалла четырёхвалентного кремния.

Вокруг каждого атома вещества размещено восемь электронов – так формируется по четыре двухэлектронные связи с расположенными по соседству атомами. 

При нагреве, например, во время прохождения тока, электронам придаётся дополнительная энергия, которой достаточно для разрыва межатомных связей. Так образуются свободные электроны – носители электрозаряда. По мере отрыва элементарных частиц образуются так называемые дырки, между которыми могут перемещаться соседние электроны и так по цепочке. Это дырочная проводимость.

Собственными называют проводники с дырочно-электронной электропроводимостью.

Примесные полупроводники, их отличие от чистых

Из-за низкой собственной проводимости проводников её улучшают за счет примесной. Она повышает электропроводимость материала без нагрева. В случае с кремнием в его кристалл добавляется:

• Трёхвалентная примесь (индий) – вызывает образование дырки из-за недостатка электронов. Электропроводность зовут акцепторной, p-типа, ток проводится преимущественно за счёт электронов.


• Пятивалентная примесь (мышьяк) – образует свободный электрон, не связанный с атомами кремния ковалентными связями. Такая проводимость называется донорной, n-типа, основные проводники тока – дырки.

Чистые и примесные полупроводники отличаются типом носителей зарядов и способом их образования. Первые – это чистые материалы с электронной электропроводимостью, вторые – материалы с примесями, которые определяют переносчика электрической энергии.

Тесты

Каким типом проводимости обладают полупроводники без примесей?

1. Акцепторным.
2. Собственным.
3. Донорным.

Что такое собственная проводимость полупроводников? Это проводимость тока …

1. Равным числом дырок и отрицательных элементарных частиц.
2. Преимущественно электронами.
3. Только дырками.

Поделитесь в социальных сетях:

14 марта 2022, 13:03

Физика

Could not load xLike class!

Химия радиоматериалов

3.4. Электропроводность полупроводников.

Полупроводник, не содержащий примесей, в нормальных условиях обладает так называемой собственной проводимостью или проводимостью типа i. Собственная проводимость обусловлена генерацией пар “электрон-дырка” . Если концентрация электронов в зоне проводимости – n_i , а дырок в валентной зоне – p_i и n_i = p_i,то собственная проводимость полупроводника:

σ_i = n_i е (μ_n + μ_p) (3.6)

В примесном полупроводнике n ¹ p, поэтому электропроводность выражается следующей формулой:

σ_{= е (μnn + μpp) (3.7)}

3.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников

3.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников.

В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рис. 3.6.

Рис.3.6.Типичные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры при различной концентрации донорной примеси

В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону ( участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей.

Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (рис.3.7.).

Рис.3.7.Зависимость подвижности носителей заряда

в полупроводниках от температуры.

Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и характер изменения удельной проводимости при изменении температуры (рис.

3.8).

Рис.3.8.Кривые зависимости удельной проводимости полупроводников от температуры при различных концентрациях примеси (N_Д1>N_Д2>N_Д3).

В ПП с атомной и ионной кристаллической решеткой подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо ( по степенному закону), а концентрации – очень сильно ( по экспоненциальному ). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности (рис.3.8).

При Т=0К электроны не обладают подвижностью, поэтому ПП становятся диэлектриками.

3.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводника.

Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения межатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей зарядов. Подвижность носителей изменяется из-за изменения амплитуды колебания узлов кристаллической решетки при их сближении или удалении.

Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность:

(3.8)

которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной деформации в данном направлении.

3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводника

Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.

Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения.

Изменение электрических свойств полупроводника под действием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и, даже, часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия.

Кроме того, по быстроте возрастания или затухания фотопроводимости соответственно после включения или выключения света, можно определить время жизни t ₀ неравновесных носителей заряд в ПП.

Когда мы рассматривали концентрацию носителей заряда в примесном полупроводнике, мы имели в виду равновесную концентрацию, т.

е. когда число свободных носителей заряда равно числу ионов примеси.

Под действием различных энергетических воздействий может возникнуть неравновесная концентрация зарядов, т.е. образование дополнительных электронно-дырочных пар. После прекращения этого воздействия электроны и дырки рекомбинируют, и концентрация вновь становится равновесной.

Процесс рекомбинации электронов и дырок может происходить либо прямым путем из зоны в зону, либо косвенным, через локальные энергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрами рекомбинации или ловушками,

Рис. 3.9. Прямая рекомбинация и рекомбинация (а),

либо косвенным, через локальные энергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрами рекомбинации или ловушками.

Рис. 3.9. Косвенная рекомбинация, через незаполненные уровни примеси б) и заполненные в).

Второй механизм рекомбинации более вероятен, т.к. здесь движется только один носитель заряда, и вероятность сближения их на расстояние, при котором возможна рекомбинация (» 0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда перемещаются по кристаллу.

Ловушки создаются примесями, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника. Это медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации.

Итак, время жизни неравновесных носителей зарядов t

0 – время, за которое концентрация их в полупроводнике убывает в 2.7 раза.

Расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного полей избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшится в 2. 7 раза, т.е. среднее расстояние, на которое носители диффундировали за время жизни, называется диффузионной длиной.

Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающее диффузионную длину с временем жизни:

L_n = √D_n× t_n , L_p = √ D_p· t_p (3.9)

где D – коэффициент диффузии носителей заряда соответствующего типа.

3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников

В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля:

J = γ× E, (3.10)

где J – плотность тока, γ- коэффициент пропорциональности, Е- напряженность внешнего электрического поля.

Рис. 3.10. Зависимость электропроводности от напряжения электрического поля.

Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (рис. 3.10.), называют критической Е_кр. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением:

γ_Е = γ× exp b √Е (3.11)

где γ- удельная проводимость полупроводника при Е< Е_кр, b — коэффициент, характеризующий полупроводник.

 Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т. к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника.

Электропроводность в полупроводниках

Решения

• Полупроводник

Электроника и упаковка

Специализированная промышленность

Поддержка

• Глобальная служба
• Техническая поддержка
• Технические ресурсы
• Связаться с МКС

Компания

• О МКС
• Отношения с инвесторами
• Новости и СМИ
• Карьера

Контакты

Корпоративные офисы

Продажа и поддержка приложений

Калибровка, обслуживание и ремонт

Техническая поддержка продукта

Чистые полупроводниковые кристаллы не являются особенно хорошими электрическими проводниками, хотя их проводимость намного выше, чем у изоляторов (табл. 1). Электрические свойства, которые делают полупроводниковые материалы, и особенно кремний, столь ценными в электронике и других устройствах, связаны с тем фактом, что их электропроводность можно непрерывно изменять за счет контролируемого включения атомов примеси в кристаллическую решетку. Это свойство позволяет использовать легированный и нелегированный кремний для управления электрическим током во множестве электронных устройств, включая диоды, конденсаторы и транзисторы. Транзисторы особенно важны в современной технике. Их можно сравнить с клапаном, который регулирует поток электричества: полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор), рис. 1(а), ведет себя как электрический выключатель, а биполярный ), рисунок 1(b) ведет себя в первую очередь как усилитель (управляющие сигналы) в своем линейном диапазоне. Такие транзисторы могут быть изготовлены только из полупроводниковых материалов.

Материал	Удельное сопротивление (Ом-см)	Проводимость (Ом- 1 -см- 1 )
Изоляторы
Твердая резина	1-100 х 10 13	1 × 10 -15 до 1 × 10 -13
Стекло	1-10000 х 10 9	1 × 10- 13 до 1 × 10 -9
Кварц (плавленый)	7,5 x 10 17	1,33 × 10 -18
Полупроводники
Углерод (графит)	3-60 х 10 -5	1,67 × 10 3 до 3,33 × 10 4
Германий	1-500 х 10 -3	от 2,0 до 1,00 × 10 3
Кремний	0,10- 60	1,67 × 10 от -2 до 10
Металлы
Серебро	1,63 x 10 -8	6,17 × 10 7
Медь (отожженная)	1,72 x 10 -8	5,95 × 10 7
Алюминий	2,65 x 10 -8	3,77 × 10 7

Таблица 1. Относительные электрические сопротивления и проводимости некоторых металлов.

Сегодня кремний является основным полупроводниковым материалом, используемым для крупномасштабного производства электронных устройств, и мы будем использовать его для иллюстрации электрических свойств полупроводников. Имейте в виду, что свойства, описанные для кремния, могут в равной степени описывать другие полупроводниковые элементы в таблице 1, а также различные составные полупроводники (GaAs, InP и т. д.), которые используются в более ограниченных приложениях (хотя и с некоторыми различиями в более мелких деталях). ).

Рисунок 1 . (a) условное обозначение и структура металлооксидно-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET); (b) Обозначение и структура биполярного переходного транзистора (BJT).

Чистый кремний и другие элементарные полупроводники обычно называют собственными полупроводниками. Термин «собственная» означает, что электрическая проводимость является неотъемлемым свойством полупроводникового материала и не зависит от присутствия добавок. В дополнение к собственным полупроводникам при производстве полупроводниковых устройств также используются внешние полупроводники (см. рис. 2), которые зависят от наличия легирующих примесей для увеличения электропроводности материала. В таблице 1 показаны удельные сопротивления и проводимости при комнатной температуре для ряда металлов, собственных полупроводников и изоляторов. Элементарный кремний имеет удельное сопротивление 0,10—60 Ом·см — значительно выше, чем у металлического; однако оно на много порядков меньше удельного сопротивления типичного изолятора.

Рисунок 2 . Характеристики электропроводности полупроводника (кремния) и металла (вольфрама).

Еще одно различие между электрическими характеристиками полупроводников и металлов заключается в изменении их проводимости в зависимости от температуры. При абсолютном нуле (0 К) электропроводность полупроводника имеет нулевое значение (т. Е. Электропроводность минимальна), тогда как металл демонстрирует максимальную электропроводность при абсолютном нуле; кроме того, проводимость увеличивается с повышением температуры в полупроводнике, тогда как в металле она уменьшается с повышением температуры. На рис. 2 показан график сравнения температурных изменений электропроводности полупроводника (кремния) и металла (вольфрама). Различное поведение электропроводности, показанное на рисунке 2, можно понять с точки зрения различных механизмов, которые управляют электропроводностью в металле по сравнению с полупроводником.

В металлах есть много свободных электронов, способных проводить электричество. В металле валентная зона и зона проводимости перекрываются, поэтому электроны могут свободно перемещаться на множество доступных и вакантных энергетических уровней. Когда к куску металла прикладывается электрический потенциал, эти электроны могут свободно течь от более высокого потенциала к более низкому. Проводимость ограничивается только величиной рассеяния электронов, которое происходит из-за столкновений между текущими электронами и неподвижными атомами в металлической решетке. При 0 К атомы в металлической решетке находятся в покое, и рассеяние электронов минимально возможное. По мере повышения температуры металла тепловая энергия заставляет атомы в решетке колебаться. Эти вибрации увеличивают эффективный диаметр, который атом представляет потоку электронов, увеличивая способность каждого атома рассеивать электроны. Таким образом, по мере повышения температуры от 0 К атомы металла колеблются с постоянно увеличивающейся амплитудой, увеличивая степень рассеяния электронов и вызывая наблюдаемое снижение проводимости, показанное на рис. 2.9.0048

Рисунок 3 . Структура кремния и электропроводность.

Рисунок 3 может помочь понять, чем механизм протекания электрического тока в полупроводнике отличается от механизма протекания тока в металле. На рис. 3(а) показаны атомы кремния в кристалле, а также грубая схема того, как валентные электроны, связанные с каждым атомом кремния, распределяются между собой, образуя четыре связи, содержащие восемь электронов в валентной оболочке каждого атома. Как вы помните из основ химии, ковалентно связанным атомам для стабильности требуется восемь электронов на их валентной оболочке. Как показано на рис. 3(а), каждый валентный электрон в атоме кремния участвует в ковалентной связи, и поэтому, в отличие от металла, ни один из них не является свободным для электропроводности; кремний при абсолютном нуле является изолятором.

На рис. 3(b) показана грубая схема зонной структуры кремния при 0 К по сравнению с той же структурой при 298 К (25°С). При 0 К валентная зона заполнена, а зона проводимости пуста, и нет доступной тепловой энергии для поднятия валентного электрона в зону проводимости. При повышении температуры кремний поглощает тепловую энергию. Хотя эта энергия увеличивает тепловые колебания атомов кремния (вызывая повышенное атомно-электронное рассеяние), любая потеря электропроводности из-за этого явления компенсируется увеличением электропроводности из-за теплового продвижения электронов из валентного состояния в проводящее. группа. Этот эффект отсутствует в металлах, так как зона проводимости перекрывает валентную зону. Продвижение электрона из валентной зоны в зону проводимости создает электронно-дырочную пару, которая представляет собой подвижные носители как в зоне проводимости (электроны), так и в валентной зоне (дырки). Электрический ток теперь будет течь в материале при приложении потенциала. Из рисунка 3(b) видно, что в собственном полупроводнике существует баланс между количеством электронов в зоне проводимости и количеством дырок в валентной зоне. Концепция дыр важна при обсуждении электронных устройств, потому что электрический ток обычно изображается как результат движения дырок. Поскольку дырки представляют собой отсутствие отрицательных зарядов (электронов), полезно думать о них как о положительных зарядах. По соглашению электрические поля (и, следовательно, электрический потенциал) изображаются в виде вектора, идущего наружу от областей с положительным зарядом. Следовательно, при рассмотрении протекания тока электроны движутся в направлении, противоположном направлению приложенного электрического поля (т. Е. К положительному заряду), а дырки движутся в направлении электрического поля.

Рисунок 4 . Элементарные полупроводники и наиболее распространенные примеси n- и p-типа, используемые для создания внешних полупроводников.

По сравнению с металлами электропроводность полупроводников не очень высока, как видно из значений в таблице 1. Однако электропроводность полупроводников можно значительно увеличить (и, по сути, довести до целевых значений) путем добавления примесей атомы, называемые легирующими примесями. «Легированные» полупроводниковые материалы обычно называют внешними полупроводниками. На рис. 4 показана область Периодической таблицы, содержащая элементарные полупроводники и легирующие элементы, которые можно использовать для создания внешнего полупроводника. Легирующие примеси — это те элементы, которые находятся по обе стороны от столбца IVA периодической таблицы. Атом легирующей примеси подобен по размеру собственному атому полупроводника в том же ряду, но имеет либо на один электрон меньше, либо на один больше в своей валентной оболочке. Атомы примеси могут легко заменить атом полупроводника в его кристаллической решетке. На рис. 5 показано внедрение атома группы VA (примесь n-типа, фосфор) или группы IIIA (примесь p-типа, бор) в кристаллическую решетку кремния, а также эффект замещения атома кремния атомом атом легирующей примеси оказывает на зонную структуру кремния.

Рисунок 5 . Влияние примесей на ширину запрещенной зоны в примесном кремнии.

Когда кремний заменяется фосфором, легирующей примесью n-типа (донором), дополнительный электрон в валентной оболочке фосфора находится на более высоком энергетическом уровне (донорный уровень на рис. 5(a)), чем электроны в заполненной валентности кремния. группа. Этот легирующий электрон может легко перепрыгнуть небольшую энергетическую запрещенную зону (0,045 эВ для фосфора, что намного меньше ширины запрещенной зоны 1,1 эВ для чистого кремния при комнатной температуре; типичные значения ширины запрещенной зоны донора находятся в диапазоне от 0,039).до 0,054 эВ) в пустую зону проводимости и стать свободным носителем. Концентрация свободных носителей (и, следовательно, электропроводность) в внешнем полупроводнике n-типа примерно пропорциональна концентрации легирующей примеси в материале. Поскольку свободный электрон, генерируемый атомами примеси в полупроводнике n-типа, не создает соответствующей дырки в заполненной валентной зоне, доминирующими носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны. Аналогичным образом бор может быть легко заменен кремнием в объемной кристаллической решетке, как показано на рис. 5(b). Поскольку в боре на один электрон меньше, чем в кремнии, это создает дырку (акцепторный уровень) с энергией, чуть большей, чем вершина заполненной валентной зоны кремния. Под действием электрического поля требуется небольшая энергия (0,045 эВ для B; типичная ширина запрещенной зоны акцептора находится в диапазоне от 0,045 до 0,160 эВ), чтобы электрон в валентной зоне продвинулся на этот акцепторный уровень, оставив после себя дырку в валентная полоса. Затем другие связанные электроны в валентной зоне могут прыгнуть в эту дырку, и последующее движение дырки несет электрический ток. Таким образом, для внешних полупроводников p-типа дырки являются основными носителями заряда для протекания тока. На рис. 6 показана зависимость между концентрацией примеси и удельным сопротивлением (обратная величина проводимости) для примесей n- и p-типа в кристаллическом кремнии.

Рисунок 6 . Зависимость удельного электросопротивления при 298К от концентрации легирования.

Физика полупроводников

• Электрические характеристики твердых тел
• Электропроводность в твердых телах

Основные конструкции устройств

• P-N соединение
• Диоды
• Биполярный переходной транзистор
• МОП-транзистор
• FinFET
• Флэш-транзистор

---

Для получения дополнительной информации по таким полупроводниковым темам загрузите наш бесплатный справочник MKS Instruments Handbook: Semiconductor Devices & Process Technology

Запросить справочник

Введите свой адрес электронной почты ниже, чтобы сбросить пароль учетной записи.

Адрес электронной почты: обязательно

.

Удалить этот продукт из списка сравнения?

---

Доступность:

Идентификатор НДС имеет недопустимый формат. Он не будет сохранен вместе с заказом при отправке.

Модель:  

Просмотр корзины и оформление заказа Продолжить покупки

---

Модель:  

Запросить цену Продолжить покупки

1.

Свойства полупроводников : Hitachi High-Tech Corporation

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают особыми электрическими свойствами. Вещество, которое проводит электричество, называется проводником, а вещество, которое не проводит электричество, называется изолятором. Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства можно определить по удельному сопротивлению. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Такие изоляторы, как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и через них плохо проходит электричество. Полупроводники имеют свойства где-то между этими двумя. Например, их удельное сопротивление может меняться в зависимости от температуры. При низкой температуре через них практически не проходит электричество. Но при повышении температуры через них легко проходит электричество.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляют какие-то элементы, через них легко проходит электричество.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах и т. д.

Группа энергии

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на каком-либо расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается, образуя кристалл, и взаимодействует в твердом материале, тогда энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетический диапазон.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их полосовые структуры показаны на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона расположены очень близко друг к другу и могут даже перекрываться с энергией Ферми （Eｆ） где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно двигаться и, следовательно, всегда могут переносить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону. Как только это будет сделано, он может проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через щель и совершать переходы в зоне проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и, следовательно, движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Вот почему этот тип материала называется полупроводником, что означает полупроводник.

Ширина запрещенной зоны для изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах протекает с трудом. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в размере энергии запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электропроводность изолятора очень плохая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. д., представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют к кремнию высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть энергетическая щель мала. Затем электроны на этом энергетическом уровне легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. д. добавляют в полупроводник р-типа. Это называется акцептор. Энергетический уровень акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне.