Jeder Festkörper hat seine eigene charakteristische Energie-Bandstruktur. In Halbleitern und Isolatoren sind die Elektronen auf eine Reihe von Energiebändern beschränkt, während sie in anderen Bereichen verboten sind. Der Begriff „Bandlücke“ bezieht sich auf den Energieunterschied zwischen dem oberen Ende des Valenzbandes und dem unteren Ende des Leitungsbandes. Elektronen sind in der Lage, von einem Band in ein anderes zu springen. Damit ein Elektron jedoch von einem Valenzband in ein Leitungsband springen kann, muss es eine bestimmte Mindestenergie für den Übergang aufbringen. Die erforderliche Energie ist bei verschiedenen Materialien unterschiedlich. Elektronen können durch Absorption eines Phonons (Wärme) oder eines Photons (Licht) genügend Energie gewinnen, um in das Leitungsband zu springen.
Ein Halbleiter ist ein Material mit einer Bandlücke von mittlerer Größe, aber nicht Null, das sich am absoluten Nullpunkt wie ein Isolator verhält, aber bei Temperaturen unterhalb seines Schmelzpunkts eine thermische Anregung von Elektronen in sein Leitungsband zulässt. Im Gegensatz dazu ist ein Material mit einer großen Bandlücke ein Isolator. Bei Leitern können sich Valenz- und Leitungsband überlappen, so dass sie möglicherweise keine Bandlücke haben.
Die Leitfähigkeit von intrinsischen Halbleitern hängt stark von der Bandlücke ab. Die einzigen verfügbaren Ladungsträger für die Leitung sind die Elektronen, die über genügend thermische Energie verfügen, um über die Bandlücke angeregt zu werden, und die Elektronenlöcher, die bei einer solchen Anregung zurückbleiben.
Bandlückentechnik ist der Prozess der Kontrolle oder Veränderung der Bandlücke eines Materials durch Kontrolle der Zusammensetzung bestimmter Halbleiterlegierungen, wie GaAlAs, InGaAs und InAlAs. Es ist auch möglich, durch Techniken wie die Molekularstrahlepitaxie Schichtmaterialien mit wechselnden Zusammensetzungen herzustellen. Diese Methoden werden bei der Entwicklung von Bipolartransistoren mit Heteroübergang (HBTs), Laserdioden und Solarzellen eingesetzt.
Die Unterscheidung zwischen Halbleitern und Isolatoren ist eine Frage der Konvention. Ein Ansatz besteht darin, Halbleiter als eine Art von Isolatoren mit einer schmalen Bandlücke zu betrachten. Isolatoren mit einer größeren Bandlücke, in der Regel größer als 4 eV, gelten nicht als Halbleiter und zeigen unter praktischen Bedingungen in der Regel kein halbleitendes Verhalten. Die Elektronenbeweglichkeit spielt ebenfalls eine Rolle bei der Bestimmung der informellen Klassifizierung eines Materials.
Die Bandlückenenergie von Halbleitern nimmt mit steigender Temperatur tendenziell ab. Mit steigender Temperatur nimmt die Amplitude der Atomschwingungen zu, was zu größeren Abständen zwischen den Atomen führt. Die Wechselwirkung zwischen den Gitterphononen und den freien Elektronen und Löchern beeinflusst die Bandlücke ebenfalls in geringerem Maße. Die Beziehung zwischen der Bandlückenenergie und der Temperatur kann durch den empirischen Ausdruck von Varshni (benannt nach Y. P. Varshni) beschrieben werden,
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}
, wobei Eg(0), α und β Materialkonstanten sind.
In einem regulären Halbleiterkristall ist die Bandlücke aufgrund der kontinuierlichen Energiezustände fest. In einem Quantenpunktkristall ist die Bandlücke größenabhängig und kann verändert werden, um einen Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband zu erzeugen. Dies wird auch als Quanteneinschränkungseffekt bezeichnet.
Bandlücken hängen auch vom Druck ab. Bandlücken können entweder direkt oder indirekt sein, abhängig von der elektronischen Bandstruktur.
Direkte und indirekte BandlückeBearbeiten
Aufgrund der Bandstrukturen haben Materialien entweder eine direkte oder eine indirekte Bandlücke. Wenn der Impuls des niedrigsten Energiezustands im Leitungsband und des höchsten Energiezustands im Valenzband eines Materials gleich sind, hat das Material eine direkte Bandlücke. Sind sie nicht identisch, so hat das Material eine indirekte Bandlücke. Bei Materialien mit einer direkten Bandlücke können Valenzelektronen durch ein Photon, dessen Energie größer als die Bandlücke ist, direkt in das Leitungsband angeregt werden. Im Gegensatz dazu müssen bei Materialien mit indirekter Bandlücke sowohl ein Photon als auch ein Phonon an einem Übergang vom oberen Valenzband zum unteren Leitungsband beteiligt sein. Daher haben Materialien mit direkter Bandlücke tendenziell stärkere Lichtemissions- und Absorptionseigenschaften. Ansonsten sind Materialien mit direkter Bandlücke besser für Photovoltaik (PV), Leuchtdioden (LED) und Laserdioden geeignet; Materialien mit indirekter Bandlücke werden jedoch häufig in PV und LED verwendet, wenn die Materialien andere günstige Eigenschaften aufweisen.
Leuchtdioden und LaserdiodenBearbeiten
LEDs und Laserdioden emittieren in der Regel Photonen mit einer Energie, die nahe an der Bandlücke des Halbleitermaterials, aus dem sie hergestellt sind, liegt und etwas größer ist als diese. Daher ändert sich die Farbe der LED oder des Lasers mit zunehmender Bandlückenenergie von Infrarot zu Rot, über den Regenbogen zu Violett und dann zu UV.
PhotovoltaikzellenBearbeiten
Die optische Bandlücke (siehe unten) bestimmt, welchen Teil des Sonnenspektrums eine Solarzelle absorbiert. Ein Halbleiter absorbiert keine Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke; die Energie des durch ein Photon erzeugten Elektron-Loch-Paares ist gleich der Energie der Bandlücke. Ein lumineszierender Solarwandler verwendet ein lumineszierendes Medium, um Photonen mit Energien oberhalb der Bandlücke in Photonenenergien umzuwandeln, die näher an der Bandlücke des Halbleiters liegen, aus dem die Solarzelle besteht.
Liste der BandlückenBearbeiten
Nachfolgend finden Sie Bandlückenwerte für einige ausgewählte Materialien. Eine umfassende Liste der Bandlücken von Halbleitern finden Sie unter Liste der Halbleitermaterialien.