Dải năng lượng và vùng cấm

Electron tự do thì khác. Nó không còn bị giữ trong liên kết, nên có năng lượng lớn hơn. Những mức năng lượng ấy nằm ở dải phía trên, gọi là vùng dẫn. Mép dưới của dải này là đáy vùng dẫn. Bạn thấy vùng dẫn gần như trống, vì mạng bên trái hầu như không có electron tự do. Electron nào lên được vùng dẫn sẽ không thuộc liên kết nào nữa. Nó đi khắp tinh thể và có thể dẫn điện khi có điện trường.

Giữa hai dải là một khoảng năng lượng mà tinh thể hoàn hảo không cho electron có. Đó là vùng cấm. Ở ba trăm K, độ rộng vùng cấm của silicon là một phẩy mười hai eV. Bạn nhìn thước bên cạnh, nó đo từ đỉnh vùng hóa trị đến đáy vùng dẫn. Trong khoảng này không có trạng thái nào để electron đứng lại. Muốn lên vùng dẫn, electron phải nhận năng lượng ít nhất bằng độ rộng vùng cấm.

Giờ ta xem một sự kiện trên cả hai hình cùng lúc. Một electron nhận năng lượng từ nhiệt hoặc từ ánh sáng, ít nhất bằng độ rộng vùng cấm. Ở mạng, liên kết bị bẻ. Cũng lúc đó, trên giản đồ, chấm vàng nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và thành chấm xanh. Chỗ nó vừa rời đi là vòng đỏ, một lỗ trống ở vùng hóa trị. Hai hình cho thấy cùng một sự kiện.

Vậy ở silicon tinh khiết, có nhiều electron lên vùng dẫn không? Ở ba trăm K, thang năng lượng nhiệt chỉ cỡ không phẩy không hai sáu eV. Độ rộng vùng cấm lớn gấp khoảng bốn mươi ba lần con số đó. Nên chỉ một phần rất nhỏ electron nhận đủ năng lượng. Bạn thấy vùng hóa trị gần như đầy, còn vùng dẫn gần như trống. Electron lên rồi lại xuống và tái hợp. Vì thế hạt tải ở silicon tinh khiết rất ít.

Còn một đường nữa trên giản đồ, đó là mức Fermi. Mức Fermi chia các trạng thái thành hai nhóm. Phía dưới gần như đầy electron, phía trên gần như trống. Ở silicon tinh khiết, số electron bằng số lỗ trống. Vì vậy mức Fermi nằm gần giữa vùng cấm. Nó gần như cách đều đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị. Ngay tại đó không có trạng thái nào, nên đường này chỉ là mốc để ta đọc giản đồ.