Każde ciało stałe ma swoją charakterystyczną strukturę pasm energetycznych. Ta zmienność struktury pasmowej jest odpowiedzialna za szeroki zakres właściwości elektrycznych obserwowanych w różnych materiałach.W półprzewodnikach i izolatorach, elektrony są ograniczone do pewnej liczby pasm energetycznych, i zabronione z innych regionów. Termin „szczelina pasmowa” odnosi się do różnicy energii pomiędzy górną częścią pasma walencyjnego a dolną częścią pasma przewodnictwa. Elektrony są w stanie przeskakiwać z jednego pasma do drugiego. Jednakże, aby elektron mógł przeskoczyć z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wymaga określonej minimalnej energii dla tego przejścia. Wymagana energia jest różna dla różnych materiałów. Elektrony mogą uzyskać wystarczającą ilość energii, aby przejść do pasma przewodnictwa poprzez absorpcję albo fononu (ciepło) lub fotonu (światło).
Półprzewodnik jest materiałem z pośrednią wielkością, ale niezerową przerwą w paśmie, który zachowuje się jak izolator w temperaturze zera bezwzględnego, ale pozwala na termiczne wzbudzenie elektronów do swojego pasma przewodnictwa w temperaturach, które są poniżej temperatury topnienia. W przeciwieństwie do tego, materiał z dużą przerwą pasmową jest izolatorem. W przewodnikach, pasma walencyjne i przewodzenia mogą się nakładać, więc mogą nie mieć przerwy w paśmie.
Przewodnictwo półprzewodników samoistnych jest silnie uzależnione od przerwy w paśmie. Jedynymi dostępnymi nośnikami ładunku do przewodzenia są elektrony, które mają wystarczającą energię termiczną, aby być wzbudzone w poprzek przerwy pasmowej i dziury elektronowe, które są pozostawione, gdy takie wzbudzenie występuje.
Inżynieria przerwy pasmowej jest procesem kontrolowania lub zmiany przerwy pasmowej materiału poprzez kontrolowanie składu niektórych stopów półprzewodników, takich jak GaAlAs, InGaAs i InAlAs. Możliwe jest również skonstruowanie materiałów warstwowych o zmiennym składzie za pomocą technik takich jak epitaksja z wiązki molekularnej. Metody te są wykorzystywane w projektowaniu heterozłączowych tranzystorów bipolarnych (HBT), diod laserowych i ogniw słonecznych.
Różnica pomiędzy półprzewodnikami i izolatorami jest kwestią konwencji. Jednym z podejść jest myślenie o półprzewodnikach jako rodzaju izolatora z wąską przerwą pasmową. Izolatory z większą przerwą pasmową, zwykle większą niż 4 eV, nie są uważane za półprzewodniki i generalnie nie wykazują zachowania półprzewodzącego w warunkach praktycznych. Ruchliwość elektronów również odgrywa rolę w określaniu nieformalnej klasyfikacji materiału.
Energia przerwy pasmowej półprzewodników ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem temperatury. Kiedy temperatura wzrasta, amplituda drgań atomowych wzrasta, co prowadzi do większych odległości międzyatomowych. Oddziaływanie pomiędzy fononami sieciowymi a elektronami swobodnymi i dziurami również wpływa na przerwę pasmową w mniejszym stopniu. Zależność energii przerwy pasmowej od temperatury można opisać empirycznym wyrażeniem Varshniego (od nazwiska Y. P. Varshniego),
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {{displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{{frac {{alpha T^{2}}{T+{beta}}}
, gdzie Eg(0), α i β są stałymi materialnymi.
W zwykłym krysztale półprzewodnikowym, przerwa pasmowa jest stała dzięki ciągłym stanom energetycznym. W krysztale kropek kwantowych, przerwa pasmowa jest zależna od rozmiaru i może być zmieniana w celu wytworzenia zakresu energii pomiędzy pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa. Jest to również znane jako efekt zamknięcia kwantowego.
Przepusty pasmowe zależą również od ciśnienia. Luki pasmowe mogą być bezpośrednie lub pośrednie, w zależności od struktury pasma elektronowego.
Bezpośrednia i pośrednia luka pasmowaEdit
Na podstawie struktur pasmowych materiały mają albo bezpośrednią lukę pasmową, albo pośrednią lukę pasmową. Jeżeli moment pędu najniższego stanu energetycznego w paśmie przewodnictwa i najwyższego stanu energetycznego w paśmie walencyjnym materiału są takie same, to materiał ma bezpośrednią przerwę pasmową. Jeżeli nie są one takie same, to materiał ma pośrednią przerwę pasmową. Dla materiałów z bezpośrednią przerwą pasmową, elektrony walencyjne mogą być bezpośrednio wzbudzone do pasma przewodnictwa przez foton, którego energia jest większa niż przerwa pasmowa. W przeciwieństwie do tego, dla materiałów z pośrednią przerwą pasmową, foton i fon muszą być zaangażowane w przejście z góry pasma walencyjnego do dołu pasma przewodnictwa. Dlatego materiały z bezpośrednią przerwą pasmową mają silniejsze właściwości emisji i absorpcji światła. Poza tym, materiały o bezpośredniej przerwie pasmowej są lepsze do fotowoltaiki (PV), diod elektroluminescencyjnych (LED) i diod laserowych, jednak materiały o pośredniej przerwie pasmowej są często stosowane w PV i LED, gdy materiały mają inne korzystne właściwości.
Diody elektroluminescencyjne i diody laseroweEdit
Diody LED i diody laserowe zazwyczaj emitują fotony o energii bliskiej i nieco większej od przerwy pasmowej materiału półprzewodnikowego, z którego są wykonane. Dlatego wraz ze wzrostem energii przerwy pasmowej kolor diody LED lub lasera zmienia się od podczerwieni do czerwieni, przez tęczę do fioletu, a następnie do UV.
Ogniwa fotowoltaiczneEdit
Optyczna przerwa pasmowa (patrz poniżej) określa, jaką część widma słonecznego pochłania ogniwo fotowoltaiczne. Półprzewodnik nie będzie absorbował fotonów o energii mniejszej niż przerwa pasmowa; a energia pary elektron-dziura wytworzonej przez foton jest równa energii przerwy pasmowej. Luminescencyjny konwerter słoneczny wykorzystuje medium luminescencyjne do konwersji fotonów o energiach powyżej przerwy pasmowej na energie fotonów bliższe przerwie pasmowej półprzewodnika zawierającego ogniwo słoneczne.
Lista przerw pasmowychEdit
Poniżej znajdują się wartości przerw pasmowych dla niektórych wybranych materiałów. Wyczerpujący wykaz przerw pasmowych w półprzewodnikach można znaleźć w Wykazie materiałów półprzewodnikowych.