बैंड गैप भौतिकी

बैंड गैप, सॉलिड-स्टेट फिजिक्स में, किसी दिए गए क्रिस्टल के भीतर ऊर्जा के स्तर की एक सीमा होती है जो इलेक्ट्रॉन के लिए असंभव होती है। आम तौर पर, एक सामग्री की बैंड संरचना (अनुमत और निषिद्ध इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों की निरंतरता) के दौरान कई बैंड अंतराल होंगे, कोर बैंड के बीच बड़े बैंड अंतराल और उत्तरोत्तर संकरा बैंड अंतराल के बीच उच्च बैंड के साथ जब तक कि कोई अधिक घटना न हो। बैंड गैप की घटना तब होती है जब दो आसन्न अनुमत बैंड इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों की पूरी श्रृंखला का विस्तार करने के लिए पर्याप्त व्यापक नहीं होते हैं।

अतिचालकता: ऊर्जा अंतराल

जैसा कि ऊपर कहा गया है, सुपरकंडक्टर्स के थर्मल गुण इंगित करते हैं कि उपलब्ध ऊर्जा स्तरों के वितरण में अंतराल है

।

फेरमी स्तर बैंड अंतराल

व्यवहार में, अधिकांश शोध केवल एक विशेष बैंड गैप पर केंद्रित होते हैं - जो कि फर्मी स्तर (ऊर्जा स्तर जिस पर इलेक्ट्रॉनों का अस्तित्व होता है या नीचे होता है जब एक ठोस पूर्ण शून्य तापमान पर होता है)। यह विशेष बैंड गैप सेमीकंडक्टर्स और इंसुलेटर में मौजूद होता है और इस प्रकार इलेक्ट्रॉनिक्स और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक (इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का अध्ययन जो प्रकाश से इंटरैक्ट करता है) की चर्चा के लिए एकमात्र बैंड गैप है। यह धातुओं में मौजूद नहीं है, जहां फेमी स्तर एक अनुमत बैंड द्वारा संलग्न है। इसलिए, कहा जाता है कि तकनीकी रूप से बैंड गैप को फ़र्मी स्तर से दूर रखने के बावजूद, धातुओं में कोई बैंड गैप नहीं है। कुछ संदर्भों में, शब्द बैंड गैप एक सामग्री के बैंड गैप की चौड़ाई को संदर्भित करता है, जिसे इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) में रिपोर्ट किया जाता है।

सामग्री वर्गीकरण

Based on the absence or presence of a band gap and on band gap size, materials can be classified into metals, semiconductors, and insulators. Foremost, metals can be distinguished from semiconductors and insulators by their lack of a band gap. Semiconductors and insulators may be differentiated by the size of their band gaps, the former having narrower band gaps and the latter having wider band gaps. In some texts, 9 eV is designated as the cutoff band gap for being considered a semiconductor, though this is by no means universal.

Influence on conductivity

That metals are excellent conductors of electricity, insulators are poor conductors of electricity, and semiconductors are somewhere in-between is common knowledge. Lesser known, however, is that those properties are determined by the band gap in each of the different materials. In particular, metals have high electrical conductivity due to their lack of a band gap—with no band gap separating the valence band (normally occupied states) from the conduction band (normally unoccupied states; electrons in this band move freely through the material and are responsible for electrical conduction), a small fraction of electrons will always be in the conduction band (i.e., free). This results in a superior electrical conductivity in metals.

Insulators, on the other hand, owe their low electrical conductivity to wide band gaps separating the valence band from the conduction band. If their band gaps were narrower, it would be feasible for thermal excitations to raise electrons to the conduction band; however, they are simply too wide for this to occur appreciably. As a result, the conductivity of a good insulator can be as little as 24 orders of magnitude less than that of a good conductor.

Finally, semiconductors rank intermediate in electrical conductivity, because their narrow band gaps make it nontrivial, but not impossible, for electrons to be raised to the conduction band by way of thermal excitation. The result is conductivity in semiconductors that is about 4–16 orders of magnitude less than that of a good conductor.

Band gap tuning

The width of the band gaps in typical elemental and binary semiconductors are generally not optimized for specialized applications in electronics and optoelectronics. Thus it is often lucrative to tune, or engineer, the band gap of semiconductors. To that end, scientists have used techniques such as employing semiconductor heterojunctions and molecular beam epitaxy and, in doing so, unlocked the band gaps necessary to create heterojunction bipolar transistors, laser diodes, and solar cells.