Varje fast ämne har sin egen karakteristiska energibandstruktur. Denna variation i bandstrukturen är ansvarig för det breda spektrum av elektriska egenskaper som observeras i olika material.I halvledare och isolatorer är elektroner begränsade till ett antal energiband och förbjudna från andra områden. Termen ”bandgap” avser energidifferensen mellan toppen av valensbandet och botten av ledningsbandet. Elektroner kan hoppa från ett band till ett annat. För att en elektron ska kunna hoppa från ett valensband till ett ledningsband krävs dock en viss minsta energimängd för övergången. Den energi som krävs skiljer sig åt mellan olika material. Elektroner kan få tillräckligt med energi för att hoppa till ledningsbandet genom att absorbera antingen en fonon (värme) eller en foton (ljus).
En halvledare är ett material med ett bandgap av mellanstorlek men som inte är lika stort som noll och som beter sig som en isolator vid absolut nollpunkt, men som tillåter termisk excitering av elektroner till sitt ledningsband vid temperaturer som ligger under dess smältpunkt. Ett material med ett stort bandgap är däremot en isolator. I ledare kan valens- och ledningsbanden överlappa varandra, så de kanske inte har någon bandgap.
Ledningsförmågan hos inneboende halvledare är starkt beroende av bandgapet. De enda tillgängliga laddningsbärarna för ledning är de elektroner som har tillräckligt med termisk energi för att exciteras över bandgapet och de elektronhål som lämnas kvar när en sådan excitering sker.
Bandgapteknik är processen att kontrollera eller förändra bandgapet hos ett material genom att kontrollera sammansättningen av vissa halvledarlegeringar, till exempel GaAlAs, InGaAs och InAlAs. Det är också möjligt att konstruera skiktade material med alternerande sammansättningar med hjälp av tekniker som molekylärstråleepitaxi. Dessa metoder utnyttjas vid konstruktionen av heterojunction bipolära transistorer (HBT), laserdioder och solceller.
Unskillnaden mellan halvledare och isolatorer är en fråga om konvention. Ett tillvägagångssätt är att betrakta halvledare som en typ av isolator med ett smalt bandgap. Isolatorer med ett större bandgap, vanligen större än 4 eV, betraktas inte som halvledare och uppvisar i allmänhet inget halvledarbeteende under praktiska förhållanden. Elektronrörligheten spelar också en roll när det gäller att bestämma ett materials informella klassificering.
Halvledarnas bandgapsenergi tenderar att minska med stigande temperatur. När temperaturen ökar ökar amplituden för atomvibrationer, vilket leder till större interatomära avstånd. Interaktionen mellan nätets fononer och de fria elektronerna och hålen påverkar också bandgapet i mindre utsträckning. Förhållandet mellan bandgapsenergi och temperatur kan beskrivas med Varshnis empiriska uttryck (uppkallat efter 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 }}}
, där Eg(0), α och β är materialkonstanter.
I en vanlig halvledarkristall är bandgapet fast på grund av kontinuerliga energitillstånd. I en kvantprickkristall är bandgapet storleksberoende och kan ändras för att producera ett intervall av energier mellan valensbandet och konduktionsbandet. Det är också känt som quantum confinement effect.
Bandgapet beror också på trycket. Bandgapen kan vara antingen direkta eller indirekta, beroende på den elektroniska bandstrukturen.
Direkt och indirekt bandgapRedigera
Baserat på bandstrukturerna har material antingen direkt bandgap eller indirekt bandgap. Om impulsen för det lägsta energitillståndet i konduktionsbandet och det högsta energitillståndet i valensbandet i ett material är densamma har materialet en direkt bandgap. Om de inte är desamma har materialet en indirekt bandgap. För material med en direkt bandgap kan valenceelektroner exciteras direkt till ledningsbandet av en foton vars energi är större än bandgapet. För material med indirekt bandgap måste däremot både en foton och en fonon vara inblandade i en övergång från valensbandets topp till ledningsbandets botten. Därför tenderar material med direkt bandgap att ha starkare ljusemissions- och absorptionsegenskaper. I övrigt tenderar material med direkt bandgap att vara bättre för solceller, lysdioder och laserdioder, men material med indirekt bandgap används ofta i solceller och lysdioder när materialen har andra gynnsamma egenskaper.
Ljusdioder och laserdioderRedigera
Lysdioder och laserdioder avger vanligtvis fotoner med en energi som ligger nära och är något större än bandgapet hos det halvledarmaterial som de är tillverkade av. När bandgapsenergin ökar ändras därför lysdiodens eller laserns färg från infrarött till rött, genom regnbågen till violett och sedan till UV.
SolcellerRedigera
Det optiska bandgapet (se nedan) avgör vilken del av solspektrumet som en solcell absorberar. En halvledare absorberar inte fotoner med en energi som är lägre än bandgapet, och energin hos det elektron-hålpar som produceras av en foton är lika med bandgapsenergin. En luminescerande solcellskonverterare använder ett luminescerande medium för att nedkonvertera fotoner med energier över bandgapet till fotonenergier som ligger närmare bandgapet hos den halvledare som solcellen består av.
Förteckning över bandgapenRedigera
Nedan finns bandgapvärden för några utvalda material. För en fullständig förteckning över bandgap i halvledare, se Lista över halvledarmaterial.