Jokaisella kiinteällä aineella on oma tyypillinen energiakaistarakenteensa. Tämä kaistarakenteen vaihtelu on vastuussa eri materiaaleissa havaittavien sähköisten ominaisuuksien laajasta vaihtelusta.Puolijohteissa ja eristeissä elektronit ovat rajoittuneet tiettyihin energiakaistoihin, ja ne on kielletty muilta alueilta. Termi ”kaistaväli” viittaa energiaeroon valenssikaistan yläosan ja johtavuuskaistan alaosan välillä. Elektronit pystyvät hyppäämään kaistalta toiselle. Jotta elektroni voisi hypätä valenssikaistasta johtavuuskaistalle, se tarvitsee kuitenkin tietyn vähimmäisenergiamäärän siirtymää varten. Tarvittava energia vaihtelee eri materiaaleissa. Elektronit voivat saada tarpeeksi energiaa hyppäämään johtokaistalle absorboimalla joko fononin (lämpöä) tai fotonin (valoa).
Puolijohde on materiaali, jolla on keskikokoinen, mutta nollasta poikkeava kaistaväli, joka käyttäytyy eristeenä absoluuttisessa nollapisteessä, mutta joka sallii elektronien lämpöherätyksen johtokaistalleen lämpötiloissa, jotka ovat alle sen sulamispisteen. Sitä vastoin materiaali, jolla on suuri bändiaukko, on eriste. Johtajissa valenssi- ja johtavuuskaistat voivat olla päällekkäin, joten niillä ei välttämättä ole kaistaväliä.
Sisäisten puolijohteiden johtavuus on voimakkaasti riippuvainen kaistavälistä. Ainoat johtavuuteen käytettävissä olevat varauksenkuljettajat ovat elektronit, joilla on tarpeeksi lämpöenergiaa innostuakseen kaistanraon yli, ja elektroniaukot, jotka jäävät pois, kun tällainen innostuminen tapahtuu.
Band-gap engineering on prosessi, jossa materiaalin kaistanrakoa kontrolloidaan tai muutetaan ohjaamalla tiettyjen puolijohdeseosten, kuten GaAlAs:n, InGaAs:n ja InAlAs:n, koostumusta. On myös mahdollista rakentaa kerrosmateriaaleja, joiden koostumus vaihtelee, esimerkiksi molekyylisädeepitaksia-tekniikalla. Näitä menetelmiä hyödynnetään heterojunktion bipolaaritransistoreiden (HBT), laserdiodien ja aurinkokennojen suunnittelussa.
Puolijohteiden ja eristeiden erottaminen toisistaan on sopimuskysymys. Yksi lähestymistapa on ajatella puolijohteita eräänlaisena eristeenä, jolla on kapea kaistaväli. Eristeitä, joilla on suurempi, yleensä yli 4 eV:n bändiaukko, ei pidetä puolijohteina, eivätkä ne yleensä käyttäydy puolijohteisesti käytännön olosuhteissa. Elektronien liikkuvuudella on myös merkitystä määriteltäessä materiaalin epävirallista luokittelua.
Puolijohteiden kaistanhalkaisijan energia pyrkii pienenemään lämpötilan kasvaessa. Lämpötilan noustessa atomivärähtelyjen amplitudi kasvaa, mikä johtaa suurempaan atomien väliseen etäisyyteen. Myös ristikkofononien ja vapaiden elektronien ja aukkojen välinen vuorovaikutus vaikuttaa pienemmässä määrin kaistanväliin. Bändiaukkoenergian ja lämpötilan välistä suhdetta voidaan kuvata Varshnin empiirisellä lausekkeella (nimetty Y. P. Varshnin mukaan),
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\\frac {\\alpha T^{2}}{T+\beta}}}
, missä Eg(0), α ja β ovat ainevakioita.
Säännöllisessä puolijohdekiteessä bändiaukko on kiinteä johtuen jatkuvista energiatiloista. Kvanttipistekiteessä bändiaukko on koosta riippuvainen ja sitä voidaan muuttaa siten, että valenssikaistan ja johtavuuskaistan välille saadaan erilaisia energioita. Se tunnetaan myös nimellä kvanttirajoitusilmiö.
Saumavälit riippuvat myös paineesta. Kaistahalkeamat voivat olla joko suoria tai epäsuoria riippuen elektronisesta kaistarakenteesta.
Suora ja epäsuora kaistahalkeamaEdit
Bändirakenteiden perusteella materiaaleilla on joko suora tai epäsuora kaistahalkeama. Jos materiaalin johtavuuskaistan alimman energiatilan ja valenssikaistan korkeimman energiatilan momentti on sama, materiaalilla on suora kaistahaku. Jos ne eivät ole samat, materiaalilla on epäsuora bändiaukko. Materiaaleissa, joilla on suora kaistaväli, valenssielektronit voidaan virittää suoraan johtavuuskaistalle fotonilla, jonka energia on suurempi kuin kaistaväli. Sitä vastoin materiaaleissa, joilla on epäsuora kaistaväli, sekä fotonin että fononin on osallistuttava siirtymiseen valenssikaistan yläosasta johtavuuskaistan alaosaan. Siksi suoran kaistahilan materiaaleilla on yleensä voimakkaammat valon emissio- ja absorptio-ominaisuudet. Muuten suoran kaistahilan materiaalit ovat yleensä parempia aurinkosähköissä (PV), valoa säteilevissä diodeissa (LED) ja laserdiodeissa; epäsuoran kaistahilan materiaaleja käytetään kuitenkin usein aurinkosähköissä ja LEDeissä, kun materiaaleilla on muita suotuisia ominaisuuksia.
Valoa säteilevät diodit ja laserdiodit Muokkaa
LEDit ja laserdiodit säteilevät yleensä fotoneja, joiden energia on lähellä sen puolijohdemateriaalin, josta ne on valmistettu, kaistanväliä ja hieman suurempi. Siksi kaistanraon energian kasvaessa LEDin tai laserin väri muuttuu infrapunasta punaiseen, sateenkaaren kautta violettiin ja sitten UV-valoon.
ValokennotEdit
Optinen kaista-aukko (ks. jäljempänä) määrittää, minkä osan auringon spektristä aurinkokenno absorboi. Puolijohde ei absorboi fotoneja, joiden energia on pienempi kuin kaistanraon energia; ja fotonin tuottaman elektroni-aukkoparin energia on yhtä suuri kuin kaistanraon energia. Luminesenssiaurinkomuunnin käyttää luminesenssimediaa muuntamaan fotonit, joiden energia on yli kaistavälin, fotonienergioiksi, jotka ovat lähempänä aurinkokennon sisältävän puolijohteen kaistaväliä.
Luettelo kaistavälien arvoistaEdit
Alhaalla on kaistaväliarvoja joillekin valituille materiaaleille. Kattava luettelo puolijohteiden kaistahalkeamista on kohdassa Luettelo puolijohdemateriaaleista.