Bant boşluğu - Band gap

Çok sayıda karbon atomunun bir elmas kristali oluşturmak üzere bir araya getirilmesinin varsayımsal örneğinde elektronik bant yapısının nasıl ortaya çıktığını göstermek. Grafik (sağda) , atomlar arasındaki boşluğun bir fonksiyonu olarak enerji seviyelerini gösterir. Atomlar birbirinden uzak olduğunda (grafiğin sağ tarafı), her atomun aynı enerjiye sahip değerlik atomik orbitalleri p ve s vardır. Ancak atomlar birbirine yaklaştıkça yörüngeleri örtüşmeye başlar. Bağlı Bloch'ın teoreminin yörüngelerinden hibridizasyonunu tarif N kristal atomu, N içine eşit bir enerji bölünmüş atomik orbitalleri K farklı enerji ile moleküler orbitaller her. Yana K bu kadar büyük bir sayıdır orbitalleri sürekli bir enerji bant olarak kabul edilebilir, böylece bitişik orbitalleri enerji birbirine yakın çok vardır. a , gerçek bir elmas kristalindeki atomik boşluktur. Bu aralıkta orbitaller, aralarında 5.5 eV bant aralığı olan değerlik ve iletim bantları olarak adlandırılan iki bant oluşturur. Oda sıcaklığında, çok az elektron bu geniş enerji boşluğunu aşacak ve iletim elektronları olacak termal enerjiye sahiptir, bu nedenle elmas bir yalıtkandır. Aynı kristal yapıya sahip silikonun benzer bir işlemi, silikonu yarı iletken yapan 1.1 eV'lik çok daha küçük bir bant aralığı verir.

Gelen katı hal fiziği , bir bant boşluk da adlandırılan, enerji boşluğuna , hiçbir yerde bir katı madde olarak, bir enerji aralığı elektronik durumlar mevcut olabilir. Grafiklerinde elektronik bant yapısı katıların, bant boşluk, genel olarak (enerji farkı belirtir elektron volt en arasında) valans bandının ve alt iletim bandı içinde izolatör ve yarı iletkenler . Bir atoma bağlı bir değerlik elektronunu kristal kafes içinde hareket etmekte serbest olan ve elektrik akımını iletmek için bir yük taşıyıcısı olarak hizmet eden bir iletim elektronu haline getirmek için gerekli olan enerjidir . Kimyadaki HOMO/LUMO boşluğu ile yakından ilgilidir . Değerlik bandı tamamen dolu ve iletim bandı tamamen boşsa, elektronlar katı içinde hareket edemezler; Bazı elektronlar iletim bandına değerlik transfer ancak, o anda geçerli olan olabilir akış (bkz taşıyıcı kuşak ve rekombinasyon ). Bu nedenle, bant aralığı bir katının elektriksel iletkenliğini belirleyen önemli bir faktördür . Büyük bant boşluklu maddeler genellikle yalıtkandır , daha küçük bant boşluklu maddeler yarı iletkendir , iletkenler ise değerlik ve iletim bantları örtüştüğü için çok küçük bant boşluklarına sahiptir veya hiç yoktur.

yarı iletken fiziğinde

Yarı iletken bant yapısı .

Her katının kendine özgü enerji bandı yapısı vardır . Bant yapısındaki bu değişiklik, çeşitli malzemelerde gözlenen geniş elektriksel özellikler aralığından sorumludur. Yarı iletken ve yalıtkan olarak, elektronlar bir dizi sınırlıdır bantları enerji ve başka bölgelerden yasak. "Bant aralığı" terimi, değerlik bandının üstü ile iletim bandının altı arasındaki enerji farkını ifade eder. Elektronlar bir banttan diğerine atlayabilir. Bununla birlikte, bir elektronun değerlik bandından iletim bandına atlaması için geçiş için belirli bir minimum enerji miktarı gerekir. Gerekli enerji farklı malzemelere göre değişir. Elektronlar, bir fonon (ısı) veya bir foton (ışık) emerek iletim bandına atlamak için yeterli enerjiyi kazanabilirler .

Bir yarı iletken mutlak sıfırdan bir yalıtkan olarak davranır, ancak erime noktasının altında olan sıcaklıklarda iletim bant içine elektronların termal uyarma sağlayan bir büyüklükte-ara maddesi, ancak sıfır olmayan bant boşluğuna sahip bir malzemedir. Buna karşılık, geniş bant aralığına sahip bir malzeme bir yalıtkandır . Gelen iletkenler bir bant boşluğuna sahip değildir, bu nedenle, valans ve iletim bant, üst üste gelebilir.

İletkenlik ve içsel yarı iletkenler bant aralığı sıkı bir şekilde bağlıdır. İletim için mevcut olan tek yük taşıyıcıları, bant aralığı boyunca uyarılmak için yeterli termal enerjiye sahip elektronlar ve böyle bir uyarı meydana geldiğinde bırakılan elektron delikleridir .

Bant aralığı mühendisliği, GaAlAs, InGaAs ve InAlAs gibi belirli yarı iletken alaşımların bileşimini kontrol ederek bir malzemenin bant aralığını kontrol etme veya değiştirme işlemidir. Moleküler ışın epitaksi gibi tekniklerle değişen bileşimlere sahip katmanlı malzemeler oluşturmak da mümkündür . Bu yöntemler, heterojunction bipolar transistörlerin (HBT'ler), lazer diyotların ve güneş pillerinin tasarımında kullanılır .

Yarı iletkenler ve yalıtkanlar arasındaki ayrım bir gelenek meselesidir. Bir yaklaşım, yarı iletkenleri dar bir bant aralığına sahip bir tür yalıtkan olarak düşünmektir. Genellikle 4 eV'den daha büyük bir bant aralığına sahip yalıtkanlar yarı iletken olarak kabul edilmez ve pratik koşullar altında genellikle yarı iletken davranış göstermezler. Elektron hareketliliği , bir malzemenin gayri resmi sınıflandırmasını belirlemede de rol oynar.

Yarı iletkenlerin bant aralığı enerjisi, artan sıcaklıkla azalma eğilimindedir. Sıcaklık arttığında, atomik titreşimlerin genliği artar ve daha büyük atomlar arası boşluğa yol açar. Kafes fononları ile serbest elektronlar ve delikler arasındaki etkileşim de bant aralığını daha küçük ölçüde etkileyecektir. Bant aralığı enerjisi ve sıcaklık arasındaki ilişki, Varshni'nin ampirik ifadesi ( YP Varshni'den sonra adlandırılır ) ile tanımlanabilir.

, burada E g (0), α ve β malzeme sabitleridir.

Düzenli bir yarı iletken kristalde, sürekli enerji durumları nedeniyle bant aralığı sabittir. Bir kuantum nokta kristalinde, bant aralığı boyuta bağlıdır ve değerlik bandı ile iletim bandı arasında bir dizi enerji üretecek şekilde değiştirilebilir. Kuantum hapsi etkisi olarak da bilinir .

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

Doğrudan ve dolaylı bant aralığı

Bant yapılarına bağlı olarak, malzemeler ya doğrudan bant aralığına ya da dolaylı bant aralığına sahiptir. İletim bandındaki en düşük enerji durumunun momentumu ile değerlik bandının en yüksek enerji durumunun momentumu aynıysa, materyalin doğrudan bir bant aralığı vardır. Aynı değillerse, malzemede dolaylı bir bant aralığı vardır. Doğrudan bant aralığına sahip malzemeler için, değerlik elektronları, enerjisi bant aralığından daha büyük olan bir foton tarafından doğrudan iletim bandına uyarılabilir. Buna karşılık, dolaylı bir bant aralığına sahip malzemeler için , değerlik bandının tepesinden iletim bandının altına bir geçişte hem bir foton hem de fonon yer almalıdır. Bu nedenle, doğrudan bant aralığı malzemeleri daha güçlü ışık yayma ve emme özelliklerine sahip olma eğilimindedir. Diğer şeyler eşittir, doğrudan bant aralığı malzemeleri fotovoltaikler (PV'ler), ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve lazer diyotlar için daha iyi olma eğilimindedir ; bununla birlikte, dolaylı bant aralığı malzemeleri, malzemeler başka uygun özelliklere sahip olduğunda PV'lerde ve LED'lerde sıklıkla kullanılır.

Işık yayan diyotlar ve lazer diyotlar

LED'ler ve lazer diyotlar genellikle yapıldıkları yarı iletken malzemenin bant aralığına yakın ve biraz daha büyük enerjiye sahip fotonlar yayarlar. Bu nedenle, bant aralığı enerjisi arttıkça, LED veya lazer rengi kızılötesinden kırmızıya, gökkuşağından mora, sonra UV'ye değişir.

Fotovoltaik hücreler

Shockley-Queisser sınır yarıiletken bant boşluğuna bir fonksiyonu olarak, un konsantre güneş ışığı altında bir tek kavşak güneş pilinin mümkün olan en yüksek verim sağlar. Bant aralığı çok yüksekse, gün ışığı fotonlarının çoğu soğurulamaz; eğer çok düşükse, çoğu foton, bant aralığı boyunca elektronları uyarmak için gerekenden çok daha fazla enerjiye sahiptir ve geri kalanı boşa harcanır. Ticari güneş pillerinde yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler, örneğin silikon (1.1eV) veya CdTe (1.5eV) gibi bu eğrinin zirvesine yakın bant boşluklarına sahiptir . Shockley-Queisser limiti, tandem güneş pilleri yapmak için farklı bant aralığı enerjilerine sahip malzemeleri birleştirerek deneysel olarak aşılmıştır .

Optik bant aralığı (aşağıya bakınız), bir fotovoltaik hücrenin güneş spektrumunun hangi bölümünü emdiğini belirler. Bir yarı iletken, bant aralığından daha az enerji fotonlarını emmeyecektir; ve bir foton tarafından üretilen elektron-boşluk çiftinin enerjisi, bant aralığı enerjisine eşittir. Bir ışıldayan güneş dönüştürücü , bant aralığının üzerindeki enerjilere sahip fotonları, güneş pilini oluşturan yarı iletkenin bant aralığına daha yakın olan foton enerjilerine dönüştürmek için ışıldayan bir ortam kullanır .

Bant boşluklarının listesi

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

Grup Malzeme Sembol Bant aralığı ( eV ) @ 302 K 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 Açıklık 2.26
III–V galyum arsenit GaAs 1.43
IV–V silikon nitrür Si 3 N 4 5
IV–VI Kurşun(II) sülfür PbS 0.37
IV–VI Silikon dioksit SiO 2 9
Bakır(I) oksit Cu 2 O 2.1

Optik ve elektronik bant aralığı

Büyük bir eksiton bağlanma enerjisine sahip malzemelerde, bir fotonun bir eksiton (bağlı elektron-delik çifti) oluşturmak için ancak yeterli enerjiye sahip olması mümkündür, ancak elektron ve deliği (her birine elektriksel olarak çekilir) ayırmak için yeterli enerjiye sahip değildir. başka). Bu durumda, "optik bant aralığı" ve "elektrik bant aralığı" (veya "taşıma aralığı") arasında bir ayrım vardır. Optik bant aralığı, fotonların soğurulması için eşik iken, taşıma aralığı, birbirine bağlı olmayan bir elektron-delik çifti yaratma eşiğidir . Optik bant aralığı, taşıma aralığından daha düşük enerjidedir.

Silisyum, galyum arsenit vb. gibi hemen hemen 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 şudur: görmezden gelindi. Ancak, organik yarı iletkenler ve tek duvarlı karbon nanotüpler dahil olmak üzere bazı sistemlerde ayrım önemli olabilir.

Diğer yarı parçacıklar için bant boşlukları

Gelen fotonik , bant aralıkları ya da durdurma bantları tünel etkiler gözardı edilmiştir, hiçbir fotonlar bir malzeme boyunca iletilebilir, foton frekanslarının aralıklarıdır. Bu davranışı sergileyen bir malzeme, fotonik kristal olarak bilinir . Hiperüniformite kavramı, fotonik kristallerin ötesinde, fotonik bant boşluklu malzemelerin yelpazesini genişletmiştir. Tekniği süpersimetrik kuantum mekaniğinde uygulayarak, kristallerin veya yarı kristallerinkine mükemmel bir şekilde eşdeğer bant boşluklarını destekleyen yeni bir optik düzensiz malzeme sınıfı önerilmiştir .

Benzer fizik , fononik bir kristaldeki fononlar için de geçerlidir .

Malzemeler

elektronik konuların listesi

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar