Die Bandlücke ist die Energiedifferenz zwischen dem untersten Leitungsband und dem obersten Valenzband eines Halbleiters. Der Abstand zwischen Leitungsband und Valenzband der Elektronen wird als Bandlücke bezeichnet. Die minimale Energie, die benötigt wird, um ein Elektron in einen Zustand im Leitungsband anzuregen, in dem es leitend werden kann, wird im Wesentlichen durch die Bandlücke repräsentiert.
Das Valenzband ist das niedrigere Energieniveau; besteht also eine Lücke zwischen ihm und dem höherenergetischen Leitungsband , muss Energie zugeführt werden, damit Elektronen frei werden können. Die Größe und Existenz dieser Bandlücke ermöglicht die Unterscheidung zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren.
Wie unterscheiden sich Leiter, Isolatoren und Halbleiter in ihrer Bandlücke?
Die unterschiedliche Bandlücke zeigt, dass Halbleiter, Isolatoren und Leiter unterschiedlich große Bandlücken aufweisen. Die einzigartigen Eigenschaften der Materialien hängen teilweise von der Größe dieser Bandlücke ab. In Isolatoren trennt eine signifikante Bandlücke die Elektronen im Valenzband von denen im Leitungsband. Dies bedeutet, dass eine bedeutende „verbotene“ Energielücke existiert, die verhindert, dass Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband springen und Strom leiten können. Dies erklärt, warum Isolatoren Strom nicht effizient leiten.
In Leitern überlappen sich Valenz- und Leitungsband. Aufgrund dieser Überlappung können die Valenzelektronen nahezu ungehindert in das Leitungsband eintreten und an der Leitfähigkeit teilnehmen. Zwar kann aufgrund der partiellen Überlappung nur ein Teil der Valenzelektronen das Material durchdringen , doch reicht dies dennoch aus, um Leiter leitfähig zu machen.
Wie wird die Bandlücke in Halbleitern gefüllt?
Die Bandlücke in Halbleitern kann durch eine Art Anregung, beispielsweise durch Sonnenlicht im Falle von Photovoltaikzellen , gefüllt werden . Ihre Größe liegt im Wesentlichen zwischen der eines Isolators und der eines Leiters. In diesem Modell kann eine begrenzte Anzahl von Elektronen in das Leitungsband eintreten und eine sehr geringe elektrische Menge leiten.
Das durch die Aktivierung dieses Elektrons entstehende Elektronenloch ermöglicht auch andere Leitungsprozesse. Ein Elektron eines benachbarten Atoms kann diese Leerstelle besetzen und so eine Kaskade von Löchern und Elektronenbewegungen auslösen , die zu Stromfluss führt. Die Leitfähigkeit dieses Materials lässt sich durch die Zugabe geringer Mengen an Dotierungsmaterial deutlich erhöhen.
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Die geringste Energie, die Elektronen in den äußersten Schalen eines Stoffes benötigen, um sich von ihren Atomen zu lösen, wird als Bandlücke oder Energielücke bezeichnet. Diese Elektronen sind dann an der Leitung beteiligt. Da bei Anlegen selbst kleinster elektrischer Spannungen stets freie Elektronen für die Leitung zur Verfügung stehen, weisen gute Leiter eine Bandlücke von null auf.
Ihre Valenz- und Leitungsbänder überlappen sich tatsächlich. Da die Freisetzung eines Elektrons aus seinem Mutteratom viel Energie erfordert, weisen Isolatoren außergewöhnlich hohe Bandlücken auf. Halbleiter haben mittlere Bandraumenergien im Elektronenvoltbereich. Um das Potenzial eines Elektrons um ein Volt zu reduzieren, wird ein Elektronenvolt (1 EV) benötigt.
