Alle faste stoffer har deres egen karakteristiske energibåndsstruktur. Denne variation i båndstrukturen er ansvarlig for den brede vifte af elektriske egenskaber, der er observeret i forskellige materialer.I halvledere og isolatorer er elektroner begrænset til et antal energibånd og forbudt fra andre områder. Udtrykket “båndgab” henviser til energiforskellen mellem toppen af valensbåndet og bunden af ledningsbåndet. Elektroner er i stand til at springe fra et bånd til et andet. For at en elektron kan springe fra et valensbånd til et ledningsbånd, kræves der imidlertid en bestemt minimumsenergimængde for overgangen. Den nødvendige energi er forskellig for forskellige materialer. Elektroner kan få energi nok til at springe til ledningsbåndet ved at absorbere enten en fonon (varme) eller en foton (lys).
En halvleder er et materiale med et mellemstort men ikke-nul båndgab, der opfører sig som en isolator ved absolut nulpunkt, men som tillader termisk excitation af elektroner til dets ledningsbånd ved temperaturer, der ligger under dets smeltepunkt. I modsætning hertil er et materiale med et stort båndgab en isolator. I ledere kan valensbåndet og ledningsbåndet overlappe hinanden, så de måske ikke har et båndgab.
Ledningsevnen for intrinsiske halvledere er stærkt afhængig af båndgabet. De eneste tilgængelige ladningsbærere til ledning er de elektroner, der har tilstrækkelig termisk energi til at blive exciteret over bandgabet, og de elektronhuller, der bliver efterladt, når en sådan excitation finder sted.
Bandgabsteknik er processen med at kontrollere eller ændre et materiales bandgab ved at kontrollere sammensætningen af visse halvlederlegeringer, såsom GaAlAs, InGaAs og InAlAs. Det er også muligt at konstruere lagdelt materiale med skiftende sammensætninger ved hjælp af teknikker som f.eks. molekylærstråleepitaxi. Disse metoder udnyttes til konstruktion af HBT’er (heterojunction bipolære transistorer), laserdioder og solceller.
Den sondring, der foretages mellem halvledere og isolatorer, er et spørgsmål om konvention. En metode er at betragte halvledere som en type isolator med et smalt båndgab. Isolatorer med et større båndgab, som regel større end 4 eV, betragtes ikke som halvledere og udviser generelt ikke halvledende adfærd under praktiske forhold. Elektronmobilitet spiller også en rolle ved bestemmelsen af et materiales uformelle klassifikation.
Båndgabsenergien for halvledere har en tendens til at falde med stigende temperatur. Når temperaturen stiger, øges amplituden af atomvibrationer, hvilket fører til større interatomar afstand. Interaktionen mellem gitterfononerne og de frie elektroner og huller vil også påvirke båndgabet i mindre omfang. Forholdet mellem bandgap-energi og temperatur kan beskrives ved Varshnis empiriske udtryk (opkaldt efter Y. P. Varshni),
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}}{T+\beta }}}
, hvor Eg(0), α og β er materialekonstanter.
I en almindelig halvlederkrystal er båndgabet fast på grund af kontinuerlige energitilstande. I en kvantepunktkrystal er båndgabet størrelsesafhængigt og kan ændres for at frembringe et spektrum af energier mellem valensbåndet og ledningsbåndet. Det er også kendt som kvanteindespærringseffekt.
Båndgabet afhænger også af trykket. Bandgaps kan være enten direkte eller indirekte, afhængigt af den elektroniske båndstruktur.
Direkte og indirekte bandgapsRediger
Baseret på båndstrukturerne har materialer enten direkte båndgab eller indirekte båndgab. Hvis impulsen for den laveste energitilstand i ledningsbåndet og den højeste energitilstand i valensbåndet i et materiale er den samme, har materialet et direkte båndgab. Hvis de ikke er de samme, har materialet et indirekte båndgab. For materialer med en direkte båndkløft kan valenselektroner direkte exciteres ind i ledningsbåndet af en foton, hvis energi er større end båndkløften. For materialer med et indirekte båndgab skal der derimod både en foton og en fonon være involveret i en overgang fra valensbåndets top til ledningsbåndets bund. Derfor har materialer med direkte båndgab en tendens til at have stærkere lysemissionsog absorptionsegenskaber. Alt andet lige har materialer med direkte båndgab tendens til at være bedre til solceller (PV’er), lysemitterende dioder (LED’er) og laserdioder; indirekte båndgab-materialer anvendes dog ofte i PV’er og LED’er, når materialerne har andre gunstige egenskaber.
Lysemitterende dioder og laserdioderRediger
LED’er og laserdioder udsender normalt fotoner med en energi tæt på og lidt større end båndgabet i det halvledermateriale, som de er fremstillet af, og med en energi, der ligger tæt på og er lidt større end båndgabet i det halvledermateriale, som de er fremstillet af. Derfor skifter LED- eller laserdiodernes farve fra infrarødt til rødt, gennem regnbuen til violet og derefter til UV, efterhånden som energien i båndgabet øges.
Fotovoltaiske cellerRediger
Det optiske båndgab (se nedenfor) bestemmer, hvilken del af solspektret en solcelle absorberer. En halvleder vil ikke absorbere fotoner med en energi, der er mindre end båndgabet, og energien af det elektron-hul-par, der dannes af en foton, er lig med båndgabets energi. En luminescerende solcelleomformer anvender et luminescerende medium til at nedkonvertere fotoner med energier over båndgabet til fotonenergier tættere på båndgabet for den halvleder, som solcellen består af.
Liste over båndgabRediger
Nedenfor er angivet værdierne for båndgabet for nogle udvalgte materialer. For en omfattende liste over bandgaps i halvledere, se Liste over halvledermaterialer.