Minden szilárd anyagnak megvan a maga jellegzetes energiasávszerkezete. A sávszerkezetnek ez a változékonysága felelős a különböző anyagokban megfigyelhető elektromos jellemzők széles skálájáért.A félvezetőkben és a szigetelőkben az elektronok néhány energiasávba korlátozódnak, és más területekről ki vannak tiltva. A “sávhézag” kifejezés a valenciasáv teteje és a vezetési sáv alja közötti energiakülönbségre utal. Az elektronok képesek egyik sávból a másikba ugrani. Ahhoz azonban, hogy egy elektron a valenciasávból a vezetési sávba ugorjon, az átmenethez meghatározott minimális energiára van szükség. A szükséges energia a különböző anyagok esetében eltérő. Az elektronok egy fonon (hő) vagy egy foton (fény) elnyelésével nyerhetnek elég energiát ahhoz, hogy a vezetési sávba ugorjanak.
A félvezető olyan anyag, amelynek sávhézaga közepes méretű, de nem nulla, amely abszolút nulla fokon szigetelőként viselkedik, de az olvadáspontja alatti hőmérsékleten lehetővé teszi az elektronok termikus gerjesztését a vezetési sávba. Ezzel szemben a nagy sávhézaggal rendelkező anyag szigetelő. A vezetőkben a valencia- és a vezetési sávok átfedhetik egymást, így előfordulhat, hogy nincs sávhézagjuk.
A belső félvezetők vezetőképessége erősen függ a sávhézagtól. A vezetéshez csak azok az elektronok állnak rendelkezésre töltéshordozóként, amelyeknek elegendő hőenergiájuk van ahhoz, hogy a sávhézagon keresztül gerjesztődjenek, valamint az ilyen gerjesztéskor visszamaradó elektronlyukak.
A sávhézag-technika az anyag sávhézagának szabályozását vagy megváltoztatását jelenti bizonyos félvezető ötvözetek, például a GaAlAs, InGaAs és InAlAs összetételének szabályozásával. Lehetőség van váltakozó összetételű réteges anyagok előállítására is olyan technikákkal, mint a molekulasugaras epitaxia. Ezeket a módszereket heterojunction bipoláris tranzisztorok (HBT-k), lézerdiódák és napelemek tervezésénél használják ki.
A félvezetők és szigetelők megkülönböztetése konvencionális kérdés. Az egyik megközelítés szerint a félvezetőkre úgy kell gondolni, mint egyfajta szigetelőre, amelynek szűk a sávhézaga. A nagyobb, általában 4 eV-nál nagyobb sávhézaggal rendelkező szigetelőket nem tekintjük félvezetőknek, és általában gyakorlati körülmények között nem mutatnak félvezető viselkedést. Az elektronok mozgékonysága is szerepet játszik egy anyag informális besorolásának meghatározásában.
A félvezetők sávhézag-energiája a hőmérséklet növekedésével általában csökken. A hőmérséklet növekedésével az atomi rezgések amplitúdója nő, ami nagyobb atomok közötti távolságot eredményez. A rácsfononok és a szabad elektronok és lyukak közötti kölcsönhatás is kisebb mértékben befolyásolja a sávhézagot. A sávhézag energia és a hőmérséklet közötti összefüggés a Varshni-féle (Y. P. Varshni után elnevezett) empirikus kifejezéssel írható le,
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}}}
, ahol Eg(0), α és β anyagi állandók.
Egy szabályos félvezető kristályban a sávhézag a folytonos energiaállapotok miatt rögzített. Egy kvantumpont-kristályban a sávhézag méretfüggő, és megváltoztatható, hogy a valenciasáv és a vezetési sáv közötti energiatartományt előállítsa. Ezt kvantumkorlátozási hatásnak is nevezik.
A sávhézagok a nyomástól is függnek. A sávhézagok lehetnek közvetlenek vagy közvetettek, az elektronikus sávszerkezettől függően.
Közvetlen és közvetett sávhézagSzerkesztés
A sávszerkezetek alapján az anyagok vagy közvetlen sávhézaggal, vagy közvetett sávhézaggal rendelkeznek. Ha egy anyag vezetési sávjának legalacsonyabb energiaállapotának és valenciasávjának legmagasabb energiaállapotának momentuma megegyezik, akkor az anyagnak közvetlen sávhézaga van. Ha nem azonosak, akkor az anyagnak közvetett sávhézaga van. A közvetlen sávhézaggal rendelkező anyagok esetében a valenciaelektronok közvetlenül gerjeszthetők a vezetési sávba olyan fotonnal, amelynek energiája nagyobb, mint a sávhézag. Ezzel szemben a közvetett sávhézaggal rendelkező anyagok esetében a valenciasáv tetejéről a vezetési sáv aljára történő átmenetben egy fotonnak és egy fononnak is részt kell vennie. Ezért a közvetlen sávhézagú anyagok általában erősebb fénykibocsátási és abszorpciós tulajdonságokkal rendelkeznek. Egyébként a közvetlen sávhézagú anyagok általában jobbak a fotovoltaikában (PV), a fénykibocsátó diódákban (LED) és a lézerdiódákban; az indirekt sávhézagú anyagokat azonban gyakran használják a PV-kben és a LED-ekben, ha az anyagok más kedvező tulajdonságokkal rendelkeznek.
Fénykibocsátó diódák és lézerdiódákSzerkesztés
A LED-ek és a lézerdiódák általában olyan fotonokat bocsátanak ki, amelyek energiája közel van annak a félvezető anyagnak a sávhézagához, amelyből készülnek, és valamivel nagyobb annál. Ezért a sávhézag energiájának növekedésével a LED vagy a lézer színe az infravörösről a vörösre, a szivárványon keresztül az ibolyántúlira, majd az UV-ra változik.
Fotovoltaikus cellákSzerkesztés
Az optikai sávhézag (lásd alább) határozza meg, hogy a napspektrum mely részét nyeli el egy fotovoltaikus cella. Egy félvezető nem nyeli el a sávhézagnál kisebb energiájú fotonokat; a foton által létrehozott elektron-lyuk pár energiája pedig megegyezik a sávhézag energiájával. A lumineszcens napelemes átalakító egy lumineszcens közeget használ arra, hogy a sávhézag feletti energiájú fotonokat a napelemet alkotó félvezető sávhézagához közelebbi energiájú fotonokká alakítsa át.
Sávhézagok listájaSzerkesztés
Az alábbiakban néhány kiválasztott anyag sávhézagértékei találhatók. A félvezetők sávhézagainak átfogó listáját lásd: A félvezető anyagok listája.