Každá pevná látka má svou charakteristickou strukturu energetických pásem. Tato variabilita pásové struktury je zodpovědná za širokou škálu elektrických vlastností pozorovaných u různých materiálů. v polovodičích a izolantech jsou elektrony omezeny na několik energetických pásů a zakázány z jiných oblastí. Termín „pásmová mezera“ označuje rozdíl energií mezi horní částí valenčního pásu a spodní částí vodivostního pásu. Elektrony mohou přecházet z jednoho pásu do druhého. Aby však elektron mohl přeskočit z valenčního pásu do pásu vodivostního, potřebuje pro přechod určité minimální množství energie. Požadovaná energie se u různých materiálů liší. Elektrony mohou získat dostatek energie k přeskoku do vodivostního pásu pohlcením buď fononu (tepla), nebo fotonu (světla).
Polovodič je materiál se středně velkou, ale nenulovou pásmovou mezerou, který se při absolutní nule chová jako izolant, ale umožňuje tepelnou excitaci elektronů do svého vodivostního pásu při teplotách, které jsou nižší než jeho teplota tání. Naproti tomu materiál s velkou pásmovou mezerou je izolant. U vodičů se valenční a vodivostní pásy mohou překrývat, takže nemusí mít pásovou mezeru.
Vodivost vnitřních polovodičů je silně závislá na pásové mezeře. Jedinými dostupnými nosiči náboje pro vedení jsou elektrony, které mají dostatek tepelné energie, aby byly excitovány přes pásmovou mezeru, a elektronové díry, které při takové excitaci zbývají.
Pásmové inženýrství je proces řízení nebo změny pásmové mezery materiálu řízením složení některých polovodičových slitin, jako jsou GaAlAs, InGaAs a InAlAs. Je také možné konstruovat vrstvené materiály se střídavým složením pomocí technik, jako je epitaxe molekulárním paprskem. Tyto metody se využívají při konstrukci heteropřechodových bipolárních tranzistorů (HBT), laserových diod a solárních článků.
Rozlišování mezi polovodiči a izolanty je věcí konvence. Jedním z přístupů je považovat polovodiče za typ izolantu s úzkou pásmovou mezerou. Izolátory s větší pásmovou mezerou, obvykle větší než 4 eV, se za polovodiče nepovažují a v praktických podmínkách obecně nevykazují polovodivé chování. Při určování neformální klasifikace materiálu hraje roli také pohyblivost elektronů.
Energie pásové mezery polovodičů má tendenci klesat s rostoucí teplotou. Při zvyšování teploty se zvyšuje amplituda atomových vibrací, což vede k větším meziatomovým vzdálenostem. Interakce mezi mřížkovými fonony a volnými elektrony a dírami také ovlivní pásovou mezeru v menší míře. Vztah mezi energií pásové mezery a teplotou lze popsat Varshniho empirickým výrazem (pojmenovaným po Y. P. Varshnim),
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}}.
, kde Eg(0), α a β jsou materiálové konstanty.
V běžném krystalu polovodiče je pásmová mezera pevná díky spojitým energetickým stavům. V krystalu s kvantovou tečkou je pásová mezera závislá na velikosti a lze ji měnit tak, aby vznikl rozsah energií mezi valenčním a vodivostním pásem. To je také známé jako efekt kvantového omezení.
Pásmové mezery také závisí na tlaku. Pásmové mezery mohou být buď přímé, nebo nepřímé, v závislosti na struktuře elektronického pásu.
Přímá a nepřímá pásmová mezeraEdit
V závislosti na pásové struktuře mají materiály buď přímou, nebo nepřímou pásovou mezeru. Pokud je hybnost nejnižšího energetického stavu ve vodivostním pásu a nejvyššího energetického stavu valenčního pásu materiálu stejná, má materiál přímou pásovou mezeru. Pokud nejsou stejné, má materiál nepřímou pásmovou mezeru. U materiálů s přímou pásmovou mezerou mohou být valenční elektrony přímo excitovány do vodivostního pásu fotonem, jehož energie je větší než pásmová mezera. Naproti tomu u materiálů s nepřímou pásmovou mezerou se na přechodu z horní části valenčního pásu do dolní části vodivostního pásu musí podílet jak foton, tak fonon. Proto mají materiály s přímou pásmovou mezerou obvykle silnější emisní a absorpční vlastnosti. Za jiných okolností bývají materiály s přímou pásovou mezerou vhodnější pro fotovoltaiku (FV), světelné diody (LED) a laserové diody; ve FV a LED se však často používají materiály s nepřímou pásovou mezerou, pokud mají tyto materiály jiné příznivé vlastnosti.
Světelné diody a laserové diodyEdit
LED a laserové diody obvykle vyzařují fotony s energií blízkou a mírně větší, než je pásmová mezera polovodičového materiálu, z něhož jsou vyrobeny. Proto se s rostoucí energií pásové mezery mění barva LED nebo laseru z infračervené na červenou, přes duhovou na fialovou a poté na UV.
Fotovoltaické článkyEdit
Optická pásová mezera (viz níže) určuje, jakou část slunečního spektra fotovoltaický článek absorbuje. Polovodič neabsorbuje fotony s energií menší, než je pásová mezera; a energie páru elektron-díra vzniklého fotonem je rovna energii pásové mezery. Luminiscenční solární měnič využívá luminiscenční médium k downkonverzi fotonů s energií nad pásmovou mezerou na energie fotonů bližší pásmové mezeře polovodiče tvořícího solární článek.
Seznam pásmových mezerEdit
Níže jsou uvedeny hodnoty pásmových mezer pro některé vybrané materiály. Úplný seznam pásových mezer polovodičů najdete v části Seznam polovodičových materiálů.
.