I portatori di carica sono particelle che possiedono una carica elettrica e possono muoversi per trasportare corrente; gli esempi includono elettroni e ioni. I semiconduttori contengono due tipi di portatori di carica: elettroni liberi caricati negativamente e lacune libere caricate positivamente. In base al tipo di portatore maggioritario, i semiconduttori sono classificati come tipo p- (dove le lacune sono i portatori maggioritari) o tipo n- (dove gli elettroni sono i portatori maggioritari). In realtà, un buco è semplicemente un posto vacante in un legame di valenza; il movimento di una singola vacanza equivale al movimento collettivo di un gran numero di elettroni di valenza. Tuttavia, è molto più conveniente descrivere il movimento di questo vasto numero di elettroni di valenza utilizzando il concetto di un numero relativamente piccolo di lacune. Quindi, fondamentalmente, una lacuna è semplicemente un modo alternativo di rappresentare un ampio gruppo di elettroni di valenza.
Stati energetici dei portatori di carica
Dal punto di vista delle bande energetiche dei cristalli, le bande di energia-più alte in un semiconduttore sono la banda di conduzione e la banda di valenza, separate da una banda proibita (o band gap). La banda proibita non contiene stati-o livelli energetici-associati al movimento delocalizzato, sebbene al suo interno possano esistere livelli energetici localizzati derivanti da impurità o difetti. Gli elettroni liberi (indicati semplicemente come elettroni) risiedono nella banda di conduzione, tipicamente vicino al bordo della banda di conduzione (che corrisponde all'energia potenziale degli elettroni); i buchi liberi (definiti semplicemente buchi) risiedono nella banda di valenza, tipicamente vicino al bordo della banda di valenza (che corrisponde all'energia potenziale dei buchi). Sebbene la banda di valenza contenga un vasto numero di elettroni di valenza, questi elettroni sono legati all'interno di legami di valenza e non possono muoversi liberamente; di conseguenza non sono classificati come portatori di carica.
Se la concentrazione del donatore in un semiconduttore di tipo n- è relativamente bassa, la concentrazione di elettroni nella banda di conduzione rimane bassa. In questo caso, la distribuzione degli elettroni sui livelli energetici vicini al bordo della banda di conduzione segue la classica distribuzione di Boltzmann; questi elettroni sono chiamati portatori non-degenerati e il semiconduttore è classificato come semiconduttore non-degenerato.
Al contrario, se la concentrazione di drogaggio è molto elevata, la distribuzione del gran numero di elettroni vicino al bordo della banda di conduzione è vincolata dal principio di esclusione di Pauli. In questo scenario, gli elettroni seguono la distribuzione quantistica di Fermi-Dirac; sono chiamati portatori degenerati e il semiconduttore è classificato come semiconduttore degenerato. Tuttavia, va notato che anche in un semiconduttore non-degenerato di tipo n-, gli elettroni nella banda di valenza-essendo numerosi-rimangono portatori degenerati e obbediscono invariabilmente alla distribuzione quantistica di Fermi-Dirac.
Le lacune si formano quando gli elettroni di valenza passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione (lasciando posti vacanti nei legami di valenza); questo processo è noto come eccitazione intrinseca ed è caratterizzato dalla generazione simultanea di coppie di elettroni-lacuna.
