Bandlücke

Eine Bandlücke ist der Abstand zwischen dem Valenzband von Elektronen und dem Leitungsband. Im Wesentlichen stellt die Bandlücke die minimale Energie dar, die erforderlich ist, um ein Elektron bis zu einem Zustand im Leitungsband anzuregen, in dem es an der Leitung teilnehmen kann. Das untere Energieniveau ist das Valenzband, und wenn also eine Lücke zwischen diesem Niveau und dem höheren Energieleitungsband besteht, muss Energie eingegeben werden, damit Elektronen frei werden können. Die Größe und Existenz dieser Bandlücke ermöglicht es, den Unterschied zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren zu visualisieren. Diese Abstände sind in Diagrammen zu sehen, die als Banddiagramme bezeichnet werden und in Abbildung 1 unten dargestellt sind.

Abbildung 1. Ein Bandlückendiagramm, das die verschiedenen Größen von Bandlücken für Leiter, Halbleiter und Isolatoren zeigt.

Bandlückengrößen

Abbildung 1 zeigt den Unterschied in der Größe der Bandlücke für Isolatoren, Leiter und Halbleiter. Die Größe dieser Bandlücke verleiht den Materialien einige ihrer unterschiedlichen Eigenschaften. In Isolatoren sind die Elektronen im Valenzband durch eine große Bandlücke vom Leitungsband getrennt. Dies bedeutet, dass es eine große „verbotene“ Lücke in den Energien gibt, die verhindert, dass Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband springen und an der Leitung teilnehmen. Dies ist eine Erklärung dafür, warum Isolatoren Elektrizität nicht gut leiten.

Bei Leitern überlappt sich das Valenzband mit dem Leitungsband. Diese Überlappung bewirkt, dass sich die Valenzelektronen im Wesentlichen frei in das Leitungsband bewegen und an der Leitung teilnehmen können. Da es sich nicht um eine vollständige Überlappung handelt, kann sich nur ein Bruchteil der Valenzelektronen durch das Material bewegen, dies reicht jedoch immer noch aus, um Leiter leitfähig zu machen.

In Halbleitern ist die Lücke so klein, dass sie durch eine Art Anregung überbrückt werden kann – im Falle von Photovoltaikzellen vielleicht von der Sonne. Der Spalt ist im Wesentlichen eine gewisse Größe „zwischen“ der eines Leiters oder Isolators. In diesem Modell kann eine endliche Anzahl von Elektronen das Leitungsband erreichen und kleine Mengen Elektrizität leiten. Die Anregung dieses Elektrons ermöglicht auch zusätzliche Leitungsprozesse infolge des zurückgelassenen Elektronenlochs. Ein Elektron aus einem Atom in der Nähe kann diesen Raum einnehmen und eine Kettenreaktion von Löchern und Elektronenbewegungen erzeugen, die Strom erzeugt. Eine kleine Menge Dotierungsmaterial kann die Leitfähigkeit dieses Materials drastisch erhöhen.