Эффект зонной структуры

Легирование кристалла полупроводника открывает энергетические состояния в пределах ширины запрещенной зоны, но очень близко к энергетической зоне, соответствующей типу присадки. Другими словами, донорные примеси создают состояния рядом с зоной проводимости, в то время как акцепторы создают состояния рядом с валентной зоной. Разрыв между этими энергетическими состояниями и ближайшей энергетической зоной обычно соответствует энергии связи примеси, E_B, и сравнительно мала. Например, E_B для бора в кремнии составляет 0.045 эВ, для сравнения ширина запрещенной зоны кремния 1.12 эВ. Поскольку E_B мала, то для ионизации атома легирующего элемента и создания свободных носителей в зонах проводимости или валентных зонах необходимо малое количество энергии. Обычно тепловая энергия, доступная при комнатной температуре, достаточна, чтобы ионизировать большую часть примеси.

Примеси также имеют важный эффект перемещения уровня Ферми материала к энергетической зоне, которая соответствует примеси с наибольшей концентрацией. В связи с тем, что уровень Ферми должен оставаться постоянным в системе в термодинамическом равновесии, складывающиеся слои материалов с разными свойствами дают много полезных электрических параметров. Например, свойства p - n перехода согласно изменениям энергии зоны, получаются в результате выравнивания уровней Ферми в контактирующих областях полупроводников р - и n -типа.

Этот эффект показан в зонной диаграмме. Зонная диаграмма обычно указывает на изменения в валентной зоне и на краях зоны проводимости или некоторые пространственные размеры, часто обозначаемые как x. Уровень Ферми также обычно указан в диаграмме. Иногда показывается собственная энергия Ферми, Ei, которая является уровнем Ферми в отсутствии примеси. Эти диаграммы полезны при описании операций управления многих видов полупроводниковых устройств.