Ширина запрещенной зоны
В физике твердого тела ширина запрещенной зоны , также называемая энергетической щелью , представляет собой диапазон энергий в твердом теле, в котором не может существовать никаких электронных состояний . На графиках электронной зонной структуры твердых тел ширина запрещенной зоны обычно относится к разности энергий (в электрон-вольтах ) между верхней частью валентной зоны и нижней частью зоны проводимости в изоляторах и полупроводниках . Это энергия, необходимая для превращения валентного электрона , связанного с атомом, в электрон проводимости ., который может свободно перемещаться внутри кристаллической решетки и служит носителем заряда для проведения электрического тока . Это тесно связано с разрывом HOMO/LUMO в химии. Если валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости совершенно пуста, то электроны не могут двигаться в твердом теле; однако, если некоторые электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, то может протекать ток (см. Генерация и рекомбинация носителей ). Следовательно, ширина запрещенной зоны является основным фактором, определяющим электропроводность твердого тела. Вещества с большой шириной запрещенной зоны обычно являются изоляторами , вещества с меньшей шириной запрещенной зоны — полупроводниками .проводники либо имеют очень маленькую ширину запрещенной зоны, либо ее нет вообще, потому что валентная зона и зона проводимости перекрываются.
Каждое твердое тело имеет свою характерную структуру энергетических зон . Это изменение зонной структуры отвечает за широкий диапазон электрических характеристик, наблюдаемых в различных материалах. В зависимости от размерности зонная структура и спектроскопия могут варьироваться. Ниже перечислены различные типы измерений: одно измерение, два измерения и три измерения. [1]
В полупроводниках и изоляторах электроны ограничены рядом зон энергии и запрещены для других областей. Термин «запрещенная зона» относится к разнице энергий между верхом валентной зоны и дном зоны проводимости. Электроны способны перескакивать из одной зоны в другую. Однако для того, чтобы электрон перепрыгнул из валентной зоны в зону проводимости, ему требуется определенное минимальное количество энергии для перехода. Требуемая энергия отличается для разных материалов. Электроны могут получить достаточно энергии, чтобы перейти в зону проводимости, поглощая либо фонон (тепло), либо фотон (свет).
Полупроводник — это материал с шириной запрещенной зоны среднего размера, но отличной от нуля, который ведет себя как изолятор при абсолютном нуле, но допускает термическое возбуждение электронов в свою зону проводимости при температурах ниже его точки плавления. Напротив, материал с большой запрещенной зоной является изолятором . В проводниках валентная зона и зона проводимости могут перекрываться, поэтому у них может не быть запрещенной зоны.
Проводимость собственных полупроводников сильно зависит от ширины запрещенной зоны . Единственные доступные носители заряда для проводимости — это электроны, имеющие достаточную тепловую энергию для возбуждения через запрещенную зону, и электронные дырки , оставшиеся в стороне при таком возбуждении.
Конструирование запрещенной зоны — это процесс управления или изменения ширины запрещенной зоны материала путем управления составом определенных полупроводниковых сплавов , таких как GaAlAs, InGaAs и InAlAs. Также возможно создавать слоистые материалы с чередующимися составами с помощью таких методов, как молекулярно-лучевая эпитаксия . Эти методы используются при разработке биполярных транзисторов с гетеропереходом (HBT), лазерных диодов и солнечных элементов .
