半導体バンド構造
あらゆる固体はその固有のエネルギーバンド構造を持っています。 半導体や絶縁体では、電子はいくつかのエネルギーバンドに閉じ込められ、他の領域からの侵入が禁止されています。 バンドギャップとは、価電子帯の上端と伝導帯の下端との間のエネルギー差を指す。 電子は、あるバンドから別のバンドに飛び移ることができる。 しかし、電子が価電子帯から伝導帯に遷移するためには、遷移に必要な最低限のエネルギーが必要である。 このエネルギーは、物質によって異なる。
半導体は、バンドギャップが中程度でゼロではない物質で、絶対零度では絶縁体として振る舞うが、融点以下の温度では伝導帯への電子の熱励起が可能な物質である。 これに対して、バンドギャップが大きい物質は絶縁体である。 導体では価電子帯と伝導帯が重なり、バンドギャップがない場合もある。
固有半導体の伝導度はバンドギャップに強く依存している。 伝導に利用できる電荷キャリアは、バンドギャップを越えて励起されるのに十分な熱エネルギーを持つ電子と、そのような励起が起こったときに取り残される電子ホールだけである。
バンドギャップ工学とは、GaAlAs、InGaAs、InAlAsなどの特定の半導体合金の構成を制御することによって、材料のバンドギャップを制御または変更することである。 また、分子線エピタキシーなどの技術により、組成が交互に変化する層状物質を構築することも可能である。 これらの方法は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）、レーザーダイオード、太陽電池などの設計に利用されている。 半導体はバンドギャップの狭い絶縁体の一種と考えるのが一つの方法である。 バンドギャップの大きい絶縁体（通常4eV以上）は半導体とはみなされず、一般に実用的な条件下では半導体の振る舞いを示さない。 電子移動度も、材料の非公式な分類を決定する役割を果たす。
半導体のバンドギャップエネルギーは、温度の上昇とともに減少する傾向がある。 温度が上がると、原子振動の振幅が大きくなり、原子間距離が大きくなる。 また、格子フォノンと自由電子・正孔の相互作用もバンドギャップに小さく影響する。 バンドギャップエネルギーと温度の関係はVarshniの経験式(Y. P. Varshniにちなんで命名)で記述できる
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{hank {alpha T^{2}}{T+theater }}。
、ここでEg(0)、α、βは物質定数である。
通常の半導体結晶では、エネルギー状態が連続的であるため、バンドギャップは固定されている。 量子ドット結晶では、バンドギャップはサイズに依存し、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーを変化させることが可能である。 これは量子閉じ込め効果とも呼ばれます。
バンドギャップは圧力にも依存します。 バンドギャップは、電子バンド構造によって、直接または間接的に変化します。
直接および間接バンドギャップ編集
バンド構造により、物質には直接バンドギャップと間接バンドギャップがある。 ある物質の伝導帯の最低エネルギー状態と価電子帯の最高エネルギー状態の運動量が同じであれば、その物質には直接バンドギャップがあります。 同じでない場合、その物質は間接的なバンドギャップを持つ。 バンドギャップが直接の物質では、バンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光子によって、価電子が直接伝導帯に励起される。 一方、間接的なバンドギャップを持つ物質では、価電子帯の上側から伝導帯の下側への遷移に光子とフォノンの両方が関与する必要がある。 そのため、直接型バンドギャップの材料は、発光・吸収特性が強くなる傾向がある。 しかし、間接的なバンドギャップ材料は、材料が他の有利な特性を持っている場合、PVやLEDに頻繁に使用されます
発光ダイオードとレーザーダイオード編集
LED とレーザーダイオードは通常、それらが作られる半導体材料のバンドギャップに近く、それよりわずかに大きいエネルギーを持つ光子を放出する。 そのため、バンドギャップのエネルギーが大きくなると、LEDやレーザーの色は、赤外線から赤色、虹色、紫色、そして紫外線へと変化します。 太陽電池
