Przerwa energetyczna

Luka pasmowa, zwana również przerwą pasmową lub przerwą energetyczną, jest zakresem energii w ciele stałym, w którym nie mogą istnieć żadne stany elektronowe. Termin ten jest używany w fizyce i chemii ciała stałego.

Luki pasmowe występują w izolatorach i półprzewodnikach. Na wykresach elektronowej struktury pasmowej ciał stałych, przerwa pasmowa jest różnicą energii (w elektronowoltach) pomiędzy górną częścią pasma walencyjnego a dolną częścią pasma przewodnictwa. Jest to taka sama energia, jaka jest potrzebna do uwolnienia elektronu z zewnętrznej powłoki z jego orbity wokół jądra, aby stał się ruchomym nośnikiem ładunku. Wolny elektron jest w stanie swobodnie poruszać się w materiale stałym. Tak więc luka pasmowa jest głównym czynnikiem decydującym o przewodności elektrycznej ciała stałego. Substancje o dużych przerwach pasmowych są zazwyczaj izolatorami, te o mniejszych przerwach pasmowych są półprzewodnikami. Przewodniki mają albo bardzo małe przerwy pasmowe, albo nie mają ich wcale, jeśli poziomy energetyczne pasm walencyjnych i przewodnictwa pokrywają się.

W fizyce półprzewodników

Naukowcy używają przerwy pasmowej, aby przewidzieć, czy ciało stałe będzie przewodzić prąd. Większość elektronów (zwanych elektronami walencyjnymi) jest przyciągana do jądra tylko jednego atomu. Jeśli jednak elektron ma wystarczająco dużo energii, by odlecieć od najbliższego jądra, może włączyć się w przepływ prądu elektrycznego przez wiele atomów tworzących ciało stałe. Elektrony, które nie są ściśle związane z jednym jądrem nazywamy pasmem przewodnictwa.

W półprzewodnikach i izolatorach, mechanika kwantowa pokazuje, że elektrony znajdują się tylko w kilku pasmach energetycznych. Elektrony nie mogą znajdować się na innych poziomach energetycznych. Termin przerwa między pasmami 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, elektron potrzebuje pewnej ilości energii, aby przeskoczyć z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Ilość potrzebnej energii jest różna dla różnych materiałów. Elektrony mogą uzyskać energię wystarczającą do przejścia do pasma przewodnictwa poprzez absorpcję fonu (ciepła) lub fotonu (światła).

Półprzewodnik to materiał z małą, ale niezerową przerwą między pasmami, który zachowuje się jak izolator w temperaturze zera bezwzględnego (0 K), ale pozwala na wzbudzenie elektronów na tyle, aby przeskoczyły do pasma przewodzenia w temperaturach 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 pasmowej.

Przewodnictwo półprzewodników samoistnych jest silnie uzależnione od przerwy pasmowej. Jedynymi dostępnymi nośnikami dla przewodnictwa są elektrony, które mają wystarczającą energię termiczną, aby zostać wzbudzone przez szczelinę pasmową.

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 wiązek molekularnych. Metody te są wykorzystywane w projektowaniu heterozłączowych tranzystorów bipolarnych (HBT), diod laserowych i ogniw słonecznych.

Trudno jest wyznaczyć granicę pomiędzy półprzewodnikami a izolatorami. Jednym ze sposobów jest myślenie o półprzewodnikach jako o rodzaju izolatora z wąską przerwą pasmową. Izolatory z większą przerwą pasmową, zwykle większą niż 3 eV,^{[źródło? ]} nie są zaliczane do grupy półprzewodników i generalnie nie wykazują zachowania półprzewodzącego w warunkach praktycznych. Ruchliwość elektronów również odgrywa rolę w określaniu nieformalnej grupy materiału jako półprzewodnika.

Energia przerwy pasmowej półprzewodników ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura wzrasta, amplituda drgań atomowych zwiększa się, co prowadzi do zwiększenia odległości międzyatomowych. Oddziaływanie pomiędzy fononami sieciowymi a swobodnymi elektronami i dziurami również wpływa w niewielkim stopniu na przerwę pasmową. Zależność pomiędzy energią przerwy pasmowej a temperaturą może być opisana empirycznym wyrażeniem Varshni'ego,

E g ( T ) = E g ( 0 ) - α T 2 T + β {displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{frac {{alpha T^{2}}{T+}}} $E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}$ , gdzie _Eg(0), α i β są stałymi materiałowymi.

W zwykłym krysztale półprzewodnikowym, przerwa pasmowa jest stała z powodu ciągłych stanów energetycznych. W krysztale kropek kwantowych, przerwa pasmowa jest zależna od rozmiaru i może być zmieniana w celu wytworzenia zakresu energii pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa. Znane jest to również jako efekt zamknięcia kwantowego (quantum confinement effect).

Szczeliny pasmowe zależą również od ciśnienia. Szczeliny pasmowe mogą być bezpośrednie lub pośrednie, w zależności od struktury pasma elektronowego.

Interpretacja matematyczna

Klasycznie, stosunek prawdopodobieństw, że dwa stany o różnicy energii ΔE będą zajęte przez elektron jest dany przez współczynnik Boltzmanna:

e ( - Δ E k T ) { {displaystyle e^{left({frac {- delta E}{kT}}}right)}} $e^{\left({\frac {-\Delta E}{kT}}\right)}$

gdzie:

e jest liczbą Eulera (podstawa logarytmu naturalnego)
ΔE jest różnicą energii
k jest stałą Boltzmanna
T to temperatura.

Na poziomie Fermiego (lub potencjale chemicznym) prawdopodobieństwo, że stan jest zajęty wynosi ½. Jeżeli poziom Fermiego znajduje się w środku przerwy pasmowej o szerokości 1 eV, to prawdopodobieństwo to wynosi e-20 lub około 2.0⋅10-9 przy energii cieplnej w temperaturze pokojowej wynoszącej 25.9 meV.

Ogniwa fotowoltaiczne

Elektrony mogą być wzbudzane zarówno przez światło, jak i przez ciepło. Luka pasmowa określa, jaką część widma słonecznego absorbuje ogniwo fotowoltaiczne. Świecący konwerter słoneczny wykorzystuje medium luminescencyjne do konwersji fotonów o energiach powyżej przerwy pasmowej na energie fotonów bliższe przerwie pasmowej półprzewodnika wchodzącego w skład ogniwa słonecznego.

Wykaz przerw między pasmami

Materiał	Symbol	Przerwa pasmowa (eV) @ 302K	Odnośnik
Krzem	Si	1.11
Selen	Se	1.74
Germanium	Ge	0.67
Węglik krzemu	SiC	2.86
Fosforek glinu	AlP	2.45
arsenek glinu	AlAs	2.16
Antymonek glinu	AlSb	1.6
Azotek glinu	AlN	6.3
Diament	C	5.5
Fosforek galu(III)	GaP	2.26
Arsenek galu(III)	GaAs	1.43
Azotek galu(III)	GaN	3.4
Siarczek galu(II)	GaS	2.5
Antymonek galu	GaSb	0.7
Antymonek indu	InSb	0.17
Azotek indu(III)	WN	0.7
Fosforek indu(III)	InP	1.35
arsenek indu(III)	InAs	0.36
Dwukrzemek żelaza	β-FeSi2	0.87
Tlenek cynku	ZnO	3.37
Siarczek cynku	ZnS	3.6
Selenek cynku	ZnSe	2.7
Tellurku cynku	ZnTe	2.25
Siarczek kadmu	CdS	2.42
selenek kadmu	CdSe	1.73
Tellurku kadmu	CdTe	1.49
Siarczek ołowiu(II)	PbS	0.37
Selenek ołowiu(II)	PbSe	0.27
Tellurku ołowiu(II)	PbTe	0.29
Tlenek miedzi(II)	CuO	1.2
Tlenek miedzi(I)	Cu2O	2.1

Struktura pasmowa półprzewodnika.

Granica Shockleya-Queissera podaje maksymalną możliwą wydajność pojedynczego ogniwa słonecznego w warunkach niezbyt silnego światła słonecznego, jako funkcję półprzewodnikowej przerwy pasmowej. Jeśli pasmo jest zbyt wysokie, większość fotonów światła dziennego nie może być zaabsorbowana; jeśli jest zbyt niskie, większość fotonów ma znacznie więcej energii niż potrzeba do wzbudzenia elektronów w poprzek pasma, a reszta jest marnowana. Półprzewodniki powszechnie stosowane w komercyjnych ogniwach słonecznych mają przerwy pasmowe w pobliżu szczytu tej krzywej, na przykład krzem (1,1eV) lub CdTe (1,5eV). Granica Shockleya-Queissera może zostać przekroczona przez tandemowe ogniwa słoneczne, koncentrowanie światła słonecznego na ogniwie i inne metody.

W fotonice i fonice

W fotonice przerwy pasmowe lub pasma zaporowe to zakresy częstotliwości fotonów, w których, jeśli pominąć efekty tunelowania, żaden foton nie może być przepuszczony przez materiał. Materiał wykazujący takie zachowanie nazywany jest "kryształem fotonicznym".

Podobna fizyka dotyczy fononów w krysztale fonicznym.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest przerwa w paśmie?

A: Luka pasmowa, zwana również pasmem lub luką energetyczną, to zakres energii w ciele stałym, w którym nie mogą istnieć żadne stany elektronowe.

P: Do czego odnosi się ten termin w fizyce i chemii ciała stałego?

O: Termin ten odnosi się do różnicy energii (w elektronowoltach) pomiędzy górną częścią pasma walencyjnego a dolną częścią pasma przewodnictwa. Jest to również energia potrzebna do uwolnienia elektronu z zewnętrznej powłoki z jego orbity wokół jądra, aby stał się ruchomym nośnikiem ładunku.

P: Jak wpływa to na przewodnictwo elektryczne?

O: Luka pasmowa jest głównym czynnikiem określającym przewodnictwo elektryczne ciała stałego. Substancje o dużej przerwie pasmowej są zazwyczaj izolatorami, te o mniejszej przerwie pasmowej są półprzewodnikami. Przewodniki mają bardzo małą przerwę pasmową lub nie mają jej wcale, jeżeli poziomy energetyczne pasm walencyjnych i przewodnictwa pokrywają się.

P: Jak elektrony poruszają się w ciałach stałych?

O: Elektrony mogą swobodnie poruszać się w materiałach stałych, kiedy stają się ruchomymi nośnikami ładunku po uwolnieniu ich z orbit wokół jąder.

P: Co się dzieje, gdy elektrony osiągają wyższe energie?

O: Kiedy elektrony osiągają wyższe energie, mogą przeskoczyć barierę energetyczną utworzoną przez przerwę pasmową i stać się swobodnymi elektronami, które mogą swobodnie poruszać się w materiale stałym.

P: Czy wszystkie ciała stałe są izolatorami lub półprzewodnikami?

O: Nie wszystkie ciała stałe są izolatorami lub półprzewodnikami; niektóre mogą być przewodnikami, jeżeli ich pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa nakładają się na siebie, co powoduje, że luki pasmowe są bardzo małe lub w ogóle ich nie ma.