Band gap

een band gap is de afstand tussen de valentieband van elektronen en de geleidingsband. In wezen vertegenwoordigt de bandkloof de minimale energie die nodig is om een elektron op te wekken tot een toestand in de geleidingsband waar het aan geleiding kan deelnemen. Het lagere energieniveau is de valentieband, en dus als er een kloof bestaat tussen dit niveau en de hogere energiegeleidingsband, moet er energie worden ingevoerd om elektronen vrij te krijgen. De grootte en het bestaan van deze bandkloof maakt het mogelijk om het verschil tussen geleiders, halfgeleiders en isolatoren te visualiseren. Deze afstanden kunnen worden gezien in diagrammen bekend als banddiagrammen, weergegeven in Figuur 1 hieronder.

figuur 1. Een band gap diagram met de verschillende maten van band hiaten voor geleiders, halfgeleiders, en isolatoren.

Bandafstandgroottes

figuur 1 illustreert het verschil in grootte van de bandafstand voor isolatoren, geleiders en halfgeleiders. De grootte van deze band kloof geeft de materialen een aantal van hun verschillende eigenschappen. In isolatoren worden de elektronen in de valentieband gescheiden door een grote bandspleet van de geleidingsband. Dit betekent dat er een grote “verboden” kloof in energieën is die voorkomt dat elektronen uit de valentieband in de geleidingsband springen en deelnemen aan geleiding. Dit is een verklaring voor waarom isolatoren niet goed geleiden elektriciteit.

bij geleiders overlapt de valentieband met de geleidingsband. Deze overlapping zorgt ervoor dat de valentie-elektronen hoofdzakelijk vrij zijn om zich in de geleidingsband te bewegen en aan geleiding deel te nemen. Aangezien het geen volledige overlap is, kan slechts een fractie van de valentie-elektronen door het materiaal bewegen, maar dit is nog steeds genoeg om geleiders geleidend te maken.

in halfgeleiders is het gat klein genoeg om het te overbruggen door een soort excitatie – misschien van de zon in het geval van fotovoltaïsche cellen. De kloof is in wezen enige grootte “tussen” die van een geleider of isolator. In dit model kan een eindig aantal elektronen de geleidingsband bereiken en kleine hoeveelheden elektriciteit geleiden. De opwinding van dit elektron staat ook extra geleidingsprocessen toe om als resultaat van het achtergelaten elektronengat voor te komen. Een elektron van een atoom in de buurt kan deze ruimte innemen, waardoor een kettingreactie van gaten en elektronen beweging ontstaat die stroom creëert. Een kleine hoeveelheid dopingmateriaal kan de geleidbaarheid van dit materiaal drastisch verhogen.