Bant aralığı

Katı hal fiziğinde enerji boşluğu olarak da adlandırılan bir bant aralığı veya boşluğu, katı içinde, hiçbir elektronik durumun bulunamayacağı bir enerji aralığıdır. Katıların elektronik bant yapısının grafiklerinde, bant aralığı genellikle, değerlik bandının üst kısmı ile yalıtkan ve yarı iletkenlerdeki iletim bandının altı arasındaki enerji farkını (elektron volt cinsinden) ifade eder. Kristal kafes içinde hareket etmekte ve elektrik akımını iletmek için bir yük taşıyıcı olarak hizmet etmekte olan bir iletim elektronu olmak üzere bir atoma bağlı bir değerlik elektronunu teşvik etmek için gereken enerjidir. Kimyadaki HOMO/LUMO boşluğu ile yakından ilişkilidir. Değerlik bandı tamamen doluysa ve iletim bandı tamamen boşsa, elektronlar katı içinde hareket edemez; ancak, bazı elektronlar valanstan iletim bandına aktarılırsa, akım akabilir (bkz. taşıyıcı üretimi ve rekombinasyon). Bu nedenle, bant aralığı bir katının elektrik iletkenliğini belirleyen önemli bir faktördür. Büyük bant boşlukları olan maddeler genellikle izolatörlerdir, daha küçük bant boşlukları olanlar yarı iletkenlerdir, iletkenliklerin çok küçük bant boşlukları vardır veya hiç yoktur, çünkü değerlik ve iletim bantları üst üste gelir.

Yarıiletken fiziğinde

Her katının kendine özgü karakteristik enerji bandı yapısı vardır. Bant yapısındaki bu değişiklik, çeşitli malzemelerde gözlemlenen çok çeşitli elektriksel özelliklerden sorumludur. Yarı iletkenlerde ve yalıtkanlarda, elektronlar bir dizi enerji bandıyla sınırlıdır ve diğer bölgelerden yasaklanmıştır. "Bant aralığı" terimi, değerlik bandının üst kısmı ile iletim bandının alt kısmı arasındaki enerji farkını ifade eder. Elektronlar bir banttan diğerine atlayabilirler. Bununla birlikte, bir elektronun bir değerlik bandından bir iletim bandına atlaması için geçiş için belirli bir minimum enerji gerektirir. Gerekli enerji farklı malzemelerden farklıdır. Elektronlar, bir fonon (ısı) veya bir foton (ışık) emerek iletim bandına atlamak için yeterli enerji kazanabilir.

Yarı iletken, orta büyüklükte ancak sıfır olmayan bir bant boşluğuna sahip, mutlak sıfırda bir yalıtkan gibi davranan, ancak erime noktasının altındaki sıcaklıklarda elektronların iletim bandına termal uyarılmasına izin veren bir malzemedir. Buna karşılık, büyük bant boşluğuna sahip bir malzeme bir yalıtkandır. İletkenlerde, değerlik ve iletim bantları üst üste gelebilir, bu nedenle bir bant boşluğu olmayabilir.

İçsel yarı iletkenlerin iletkenliği büyük ölçüde bant boşluğuna bağlıdır. İletim için mevcut olan tek şarj taşıyıcıları, bant boşluğu boyunca uyarılmak için yeterli termal enerjiye sahip olan elektronlar ve böyle bir uyarma meydana geldiğinde bırakılan elektron delikleridir.

Bant aralığı mühendisliği, GaAlAs, InGaAs ve InAlAs gibi belirli yarı iletken alaşımların bileşimini kontrol ederek bir malzemenin bant boşluğunu kontrol etme veya değiştirme işlemidir. Moleküler ışın epitaksi gibi tekniklerle tabakalı malzemelerin alternatif bileşimlerle yapılması da mümkündür. Bu yöntemler, heterojunction bipolar transistörler (HBT'ler), lazer diyotlar ve güneş pillerinin tasarımında kullanılır.

Yarı iletkenler ve yalıtkanlar arasındaki ayrım bir konudur. Bir yaklaşım, yarı iletkenleri dar bant boşluğuna sahip bir tür yalıtkan olarak düşünmektir. Genellikle 4 eV'den daha büyük bir bant boşluğuna sahip izolatörler yarı iletkenler olarak kabul edilmez ve genellikle pratik koşullar altında yarı iletken davranış sergilemezler. Elektron hareketliliği, bir malzemenin resmi olmayan sınıflandırmasının belirlenmesinde de rol oynar.

Yarı iletkenlerin bant boşluğu enerjisi, artan sıcaklıkla azalma eğilimindedir. Sıcaklık arttığında atomik titreşimlerin genliği artar ve atomlar arası boşluklar artar. Kafes fononları ile serbest elektronlar ve delikler arasındaki etkileşim de bant boşluğunu daha küçük ölçüde etkileyecektir. Bant boşluğu enerjisi ve sıcaklık arasındaki ilişki, Varshni'nin ampirik ifadesi (Y. P. Varshni'den sonra adlandırılır),

$E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}$, burada E_g(0), α ve β material, malzeme sabitleridir.

Düzenli bir yarı iletken kristalde bant aralığı, sürekli enerji durumları nedeniyle sabitlenir. Bir kuantum nokta kristalinde, bant aralığı büyüklüğe bağlıdır ve değerlik bandı ve iletim bandı arasında bir dizi enerji üretmek için değiştirilebilir. Kuantum sınırlama etkisi olarak da bilinir.

Bant aralıkları da basınca bağlıdır. Bant aralıkları, elektronik bant yapısına bağlı olarak doğrudan veya dolaylı olabilir.

Doğrudan ve dolaylı bant aralığı

Bant yapılarına dayanarak, malzemeler ya doğrudan bant aralığına ya da dolaylı bant boşluğuna sahiptir. İletim bandındaki en düşük enerji durumunun ve bir malzemenin değerlik bandının en yüksek enerji durumunun momentumu aynı ise, malzeme doğrudan bir bant aralığına sahiptir. Aynı değillerse, malzeme dolaylı bir bant boşluğuna sahiptir. Doğrudan bant boşluğuna sahip malzemeler için, değerlik elektronları, enerjisi bant aralığından daha büyük olan bir foton tarafından doğrudan iletim bandına uyarılabilir. Aksine, dolaylı bir bant boşluğuna sahip malzemeler için, bir foton ve fononun değerlik bandı tepesinden iletim bandı tabanına geçişe dahil edilmesi gerekir. Bu nedenle, doğrudan bant aralığı malzemeleri, daha güçlü ışık emisyonu ve emme özelliklerine sahip olma eğilimindedir. Diğer şeyler eşit, doğrudan bandgap malzemeleri fotovoltaikler (PV'ler), ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve lazer diyotlar için daha iyi olma eğilimindedir; bununla birlikte, dolaylı bant aralığı materyalleri, malzemeler başka uygun özelliklere sahip olduklarında PV'lerde ve LED'lerde sıklıkla kullanılmaktadır.

Işık Yayan Diyotlar ve Lazer Diyotlar

LED'ler ve lazer diyotlar genellikle üretildikleri yarı iletken malzemenin bant aralığına yakın ve biraz daha büyük enerjili fotonlar yayarlar. Bu nedenle, bant boşluğu enerjisi arttıkça, LED veya lazer rengi kızılötesinden kırmızıya, gökkuşağından menekşe, sonra UV'ye değişir.

Fotovoltaik hücreler

Optik bant boşluğu (aşağıya bakınız), bir fotovoltaik hücrenin güneş spektrumunun hangi kısmını emdiğini belirler. Yarı iletken enerji fotonlarını bant boşluğundan daha az emmeyecektir; ve bir foton tarafından üretilen elektron deliği çiftinin enerjisi, bant aralığı enerjisine eşittir. Bir ışıldayan güneş dönüştürücü, güneş hücresini içeren yarı iletken bant boşluğuna daha yakın foton enerjilerine bant boşluğunun üzerinde enerjili fotonları aşağı çevirmek için parlak bir ortam kullanır.

Bant aralıklarının listesi

Aşağıda, seçilen bazı malzemeler için bant aralığı değerleri verilmiştir. Yarı iletkenlerdeki bant boşluklarının kapsamlı bir listesi için bkz. Yarı iletken malzemelerin listesi.

Grup	Malzeme	sembol	Bant aralıkları (eV) @ 302K	Referans
III-V	Alüminyum nitrür	AlN	6.0
IV	Elmas	C	5.5
IV	Silikon	Si	1.14
IV	Germanyum	Ge	0.67
III–V	Galyum nitrür	GaN	3.4
III–V	Galyum fosfit	GaP	2.26
III–V	Galyum arsenit	GaAs	1.43
IV–V	Silikon nitrür	Si3N4	5
IV–VI	Kurşun(II) sülfür	PbS	0.37
IV–VI	Silikon dioksit	SiO2	9
	Bakır oksit	Cu2O	2.1

Optik ve elektronik bant aralığı

Büyük eksiton bağlama enerjisine sahip malzemelerde, bir fotonun bir eksiton (bağlı elektron deliği çifti) oluşturmak için zar zor yeterli enerjiye sahip olması, ancak elektronu ve deliği (her birine elektriksel olarak çeken) ayırmak için yeterli enerji ) olmaması mümkündür. Bu durumda, "optik bant boşluğu" ile "elektrik bandı boşluğu" (veya "taşıma boşluğu") arasında bir ayrım vardır. Optik bant aralığı fotonların emilmesi için eşik iken, taşıma boşluğu birbirine bağlı olmayan bir elektron deliği çifti oluşturmak için eşiktir. Optik bant aralığı, taşıma aralığından daha düşük enerjiye sahiptir.

Silikon, galyum arsenit vb.Gibi neredeyse tüm inorganik yarı iletkenlerde, elektronlar ve delikler (çok küçük eksiton bağlama enerjisi) arasında çok az etkileşim vardır ve bu nedenle optik ve elektronik bant aralığı esasen aynıdır ve aralarındaki ayrım görmezden gelinir. Bununla birlikte, organik yarı iletkenler ve tek duvarlı karbon nanotüpler dahil olmak üzere bazı sistemlerde, ayrım önemli olabilir.