Elke vaste stof heeft zijn eigen karakteristieke energie-bandstructuur. In halfgeleiders en isolatoren zijn de elektronen beperkt tot een aantal energiebanden, en verboden uit andere gebieden. De term “bandkloof” verwijst naar het energieverschil tussen de top van de valentieband en de bodem van de geleidingsband. Elektronen zijn in staat van de ene band naar de andere te springen. Maar om een elektron van een valentieband naar een geleidingsband te laten springen, heeft het een specifieke minimumenergie nodig voor de overgang. De vereiste energie verschilt van materiaal tot materiaal. Elektronen kunnen genoeg energie krijgen om naar de geleidingsband te springen door een fonon (warmte) of een foton (licht) te absorberen.
Een halfgeleider is een materiaal met een middelgrote maar niet nul bandkloof, dat zich bij het absolute nulpunt als een isolator gedraagt, maar bij temperaturen beneden het smeltpunt thermische excitatie van elektronen in de geleidingsband toelaat. Een materiaal met een grote bandkloof is daarentegen een isolator. In geleiders kunnen de valentie- en de geleidingsband elkaar overlappen, zodat zij geen bandkloof hebben.
Het geleidingsvermogen van intrinsieke halfgeleiders is sterk afhankelijk van de bandkloof. De enige beschikbare ladingsdragers voor geleiding zijn de elektronen die voldoende thermische energie hebben om over de bandkloof te worden geëxciteerd en de elektrongaten die achterblijven wanneer een dergelijke excitatie plaatsvindt.
Bandkloof engineering is het proces van het controleren of veranderen van de bandkloof van een materiaal door het controleren van de samenstelling van bepaalde halfgeleiderlegeringen, zoals GaAlAs, InGaAs, en InAlAs. Het is ook mogelijk gelaagde materialen te construeren met wisselende samenstellingen door technieken zoals moleculaire-beam epitaxie. Deze methoden worden gebruikt bij het ontwerpen van heterojunctie bipolaire transistoren (HBTs), laserdiodes en zonnecellen.
Het onderscheid tussen halfgeleiders en isolatoren is een kwestie van conventie. Eén benadering is om halfgeleiders te zien als een soort isolator met een smalle bandkloof. Isolatoren met een grotere bandkloof, gewoonlijk groter dan 4 eV, worden niet beschouwd als halfgeleiders en vertonen in het algemeen geen halfgeleidend gedrag onder praktische omstandigheden. Elektronenmobiliteit speelt ook een rol bij het bepalen van de informele classificatie van een materiaal.
De bandkloofenergie van halfgeleiders heeft de neiging af te nemen bij toenemende temperatuur. Wanneer de temperatuur toeneemt, neemt de amplitude van atoomtrillingen toe, wat leidt tot een grotere interatomaire afstand. De interactie tussen de roosterfononen en de vrije elektronen en gaten zal de bandkloof ook in mindere mate beïnvloeden. Het verband tussen de bandkloofenergie en de temperatuur kan worden beschreven met de empirische uitdrukking van Varshni (genoemd naar 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 }}}
, waarbij Eg(0), α en β materiaalconstanten zijn.
In een regulier halfgeleiderkristal is de bandkloof gefixeerd als gevolg van continue energietoestanden. In een kwantumdotkristal is de bandkloof afhankelijk van de grootte en kan hij worden gewijzigd om een reeks energieën tussen valentieband en geleidingsband te produceren. Dit staat ook bekend als het kwantumopsluitingseffect.
Bandgaps hangen ook af van de druk. Bandgaps kunnen zowel direct als indirect zijn, afhankelijk van de elektronische bandstructuur.
Directe en indirecte band gapEdit
Gebaseerd op de bandstructuren, hebben materialen ofwel directe bandgaps ofwel indirecte bandgaps. Als het momentum van de laagste energietoestand in de geleidingsband en de hoogste energietoestand van de valentieband van een materiaal gelijk zijn, heeft het materiaal een directe bandkloof. Indien zij niet gelijk zijn, dan heeft het materiaal een indirecte bandkloof. Voor materialen met een directe bandkloof kunnen valentie-elektronen rechtstreeks in de geleidingsband worden geëxciteerd door een foton waarvan de energie groter is dan de bandkloof. Bij materialen met een indirecte bandkloof daarentegen moeten zowel een foton als een fon betrokken zijn bij een overgang van de bovenste valentieband naar de onderste geleidingsband. Daarom hebben materialen met een directe bandkloof doorgaans sterkere lichtemissie- en -absorptie-eigenschappen. Voor het overige zijn directe bandgap-materialen beter voor fotovoltaïsche cellen (PV’s), lichtemitterende diodes (LED’s) en laserdiodes; indirecte bandgap-materialen worden echter vaak gebruikt in PV’s en LED’s wanneer de materialen andere gunstige eigenschappen hebben.
Lichtemitterende diodes en laserdiodesEdit
LED’s en laserdiodes zenden gewoonlijk fotonen uit met energie dicht bij en iets groter dan de bandkloof van het halfgeleidermateriaal waarvan zij zijn gemaakt. Daarom verandert, naarmate de bandkloof energie toeneemt, de LED of laser kleur van infrarood naar rood, via de regenboog naar violet, dan naar UV.
Fotovoltaïsche cellenEdit
De optische bandkloof (zie hieronder) bepaalt welk deel van het zonnespectrum een fotovoltaïsche cel absorbeert. Een halfgeleider absorbeert geen fotonen met een energie van minder dan de bandkloof; en de energie van het elektron-gatpaar dat door een foton wordt geproduceerd, is gelijk aan de bandkloofenergie. Een luminescente zonnecel gebruikt een luminescent medium om fotonen met energieën boven de bandkloof te downconverteren naar fotonenergieën dichter bij de bandkloof van de halfgeleider waaruit de zonnecel is opgebouwd.
Lijst van bandkloofwaardenEdit
Hieronder staan bandkloofwaarden voor enkele geselecteerde materialen. Voor een uitgebreide lijst van bandgaps in halfgeleiders, zie Lijst van halfgeleidermaterialen.