Grundämnet i vår moderna värld är halvledarmaterial. Gott skäl att ägna sig lite mer ingående åt dem. Halvledare har en kristallgitterstruktur, det vill säga deras atomer är ordnade periodiskt.
Alla halvledarmaterial har två egenskaper gemensamt:
Det finns ett bandgap (energigap), som är en följd av den periodiska strukturen. Det betyder att elektroner i kristallen inte kan ha vissa energier. Den högsta energi som elektroner bundna till atomer har kallar vi valensbandsenergi. Eftersom elektronerna alla är bundna till gitteratomer kan de inte bidra till strömflödet. Det finns ytterligare energitillstånd som elektronerna kan nå – de ligger i ledningsbandet, som ligger bandgapets storlek över valensbandets kant. Elektroner i ledningsbandet kan bidra till strömflödet om vi lägger en spänning över halvledarprovet. De behöver då en energi som är större än bandgapet. Den energin kan de ta upp i form av termisk energi, och därför är mycket rena halvledare vid låga temperaturer mycket goda isolatorer.
Bandgapets energi bestäms av halvledarens kemiska sammansättning. Jämfört med Si har Ge ett betydligt mindre, GaAs och InP ett något större och GaN ett mycket större bandgap.
Kisel (Si) och germanium (Ge) är grundämneshalvledare (liksom förresten diamant, som är kristallint kol). Men det finns också kemiska föreningar som är halvledare (föreningshalvledare), som galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP) eller galliumnitrid (GaN).
Material med bandgap kallas bara halvledare om de dessutom är dopbara. Deras ledningsförmåga kan ändras inom vida gränser genom avsiktlig förorening av det mycket rena halvledarmaterialet. Arsenik (As) har till exempel, jämfört med grundämneshalvledarna, en elektron mer i det yttre elektronskalet. Denna elektron kan mycket lätt och med lite energi bli en fri elektron i ledningsbandet. En sådan dopning kallar vi n-dopning.
Men vad händer om vi förorenar halvledaren med ett material som har en elektron för lite i det yttre elektronskalet? En sådan elektronbrist kallar vi ett hål. Eftersom atomen tidigare var neutral har elektronbristen en positiv laddning. Hålen kan också röra sig i kristallen och bidra till strömflödet. En sådan dopning kallar vi p-dopning.
Sammanfattningsvis kan vi konstatera:
Kombinerar man i en kristall, men rumsligt åtskilda, p-dopade och n-dopade zoner sker ett utbyte av laddningsbärare i kontaktplanet: Elektroner rör sig från det n-dopade området mot det p-dopade området, hål rör sig från det p-dopade området mot det n-dopade området. Denna rörelse av laddningsbärare, som orsakas av skillnaderna i täthet hos elektroner och hål, kallar vi diffusionsström.
Denna laddningsseparation skapar å andra sidan ett elektriskt fält med motsatt verkan, som leder till en fältström. I jämvikt (utan yttre pålagd spänning) balanserar diffusionens och det elektriska fältets verkningar varandra exakt. Mellan p- och n-zonerna uppstår ett område utan fria laddningsbärare, som kallas utarmningszon eller spärrskikt. En sådan struktur utgör en pn-diod.
Nu lägger vi på en yttre spänning som är mer positiv på p-området (anoden) än på n-området (katoden). Den positiva elektroden drar elektroner över utarmningszonen och den negativa elektroden drar hål. Utarmningszonen bryts ned och en ström flyter. Detta är drift i framriktningen.
Vänder vi nu på spänningen vidgas utarmningszonen och strömflödet upphör. Detta är diodens backdrift (spärrdrift).
