شکاف نواری محدوده ای از سطوح انرژی در ماده ای است که الکترون در آن وجود ندارد. نبود یا وجود شکاف نواری و همچنین اندازه آن می تواند به ما در درک رفتار الکترونیکی یک ماده و تشخیص عایق ها، هادی ها و نیمه هادی های الکتریکی کمک کند. [1].

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• شکاف باند چیست؟
• مواد بر اساس شکاف نواری چگونه طبقه بندی می شوند؟
• خواص نوری و فاصله باند
• نیمه هادی های باند پهن چیست؟

شکاف باند چیست؟

در اتم ها یا مولکول ها، الکترون ها معمولا سطوح انرژی مشخصی را اشغال می کنند. با این حال، در جامدات، این سطوح انرژی با هم ادغام می شوند و نوارهایی را تشکیل می دهند. الکترون‌هایی که در پیوند دادن اتم‌ها به یکدیگر استفاده می‌شوند، در باند انرژی ظرفیت وجود دارند، در حالی که الکترون‌های باقی‌مانده که برای پیوند استفاده نمی‌شوند، آزادانه در اطراف حرکت می‌کنند. اینها در نوار رسانایی وجود دارند و بنابراین برای مشارکت در رسانایی الکتریکی در دسترس هستند [1].

برای بسیاری از مواد، نوارهای هدایت و ظرفیت با هم همپوشانی دارند، در حالی که برای برخی دیگر، یک شکاف انرژی بین دو باند وجود دارد. این شکاف انرژی که در آن الکترون ها نمی توانند وجود داشته باشند، شکاف نواری نامیده می شود و به عنوان حداقل انرژی مورد نیاز برای برانگیختن یک الکترون از باند ظرفیت به نوار رسانایی توصیف می شود. این بدان معناست که اگر انرژی کافی به الکترونی که برای پیوند استفاده می‌شود تامین شود، می‌توان آن را در سراسر شکاف باند تحریک کرد تا برای رسانایی آزاد شود.

برخی از خواص مواد به شدت تحت تأثیر اندازه شکاف نواری قرار دارند.

طبقه بندی مواد بر اساس شکاف نواری

رفتار الکتریکی هر ماده ای با وجود یا عدم وجود الکترون در نوار رسانایی تعریف می شود. این توسط ساختار باند تعیین می شود.

برای رساناها، نوارهای رسانایی و ظرفیت با هم همپوشانی دارند و بنابراین نوار رسانایی می تواند توسط الکترون ها پر شود. در عایق‌ها، باندها روی هم نمی‌افتند و یک شکاف باند بزرگ بین باند ظرفیت و رسانایی وجود دارد که پرش الکترون‌ها به نوار رسانایی را تقریبا غیرممکن می‌کند. نیمه هادی ها دارای یک شکاف باند کوچک هستند که به اندازه کافی بزرگ است تا تأثیرات خاصی به یک الکترون از باند ظرفیت انرژی کافی برای عبور از سد به نوار رسانایی بدهد. نمونه هایی از این تأثیرات می تواند شامل تحریکات نوری یا حرارتی باشد.

یک مفهوم مهم هنگام بحث در مورد شکاف باند، انرژی فرمی است. این انرژی بالاترین سطح انرژی است که توسط الکترونها در یک جامد در دمای پایین اشغال شده است. موقعیت انرژی فرمی در رابطه با نوارهای انرژی برای تعیین اینکه آیا ماده یک رسانا، عایق یا نیمه هادی است، بسیار مهم است.

اگر سطح انرژی فرمی در باند ظرفیت باشد، تمام الکترون ها در پیوند شرکت می کنند (با فرض دمای پایین). اگر انرژی فرمی در داخل نوار رسانایی باشد، الکترون‌هایی برای مشارکت در رسانش وجود دارد. اگر انرژی فرمی در داخل شکاف باند قرار گیرد، نوار ظرفیت کاملاً پر شده و نوار هدایت خالی است. این وضعیتی است که باعث پیدایش نیمه هادی ها می شود.

این شکاف نواری که اغلب به صورت E نشان داده می شودg، را می توان در “نمودار نواری” نشان داد. نمودار زیر نمونه نمودارهای نواری برای هادی، نیمه هادی و عایق را نشان می دهد.

عایق ها، هادی ها و نیمه هادی ها با مشخصه می شوند [1][3]:

• عایق ها: موادی که در آنها شکاف باند به طور قابل توجهی بزرگ است (حدود 3 تا 7 eV) که از تحریک الکترون های باند ظرفیت به باند رسانایی جلوگیری می کند. بنابراین، الکترون ها بی حرکت هستند. چنین مواد بسیار کم است رسانایی الکتریکی و بالا مقاومت الکتریکی. اکسیدهایی مانند SiO2، یا شیشه، نمونه ای از عایق های الکتریکی رایج هستند.
• هادی ها: موادی که در آنها ظرفیت و نوارهای رسانایی همپوشانی دارند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند آزادانه در نوار رسانایی حرکت کنند. بر خلاف عایق ها، هادی ها رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت الکتریکی پایینی دارند. یکی از بهترین هادی های الکتریکی مس است اما همه فلزات عموما رسانا هستند.
• نیمه هادی ها: موادی با فاصله باند کوچک کمتر از 3 eV [4]، که اجازه می دهد تعداد محدودی از الکترون ها به باند رسانایی برانگیخته شوند. این تحریکات می تواند از منابع حرارتی یا نوری باشد. ساختار نوار حتی می تواند از طریق دوپینگ شیمیایی یا اعمال میدان الکتریکی اصلاح شود. بنابراین، یک نیمه هادی بسته به شرایط می تواند مانند یک عایق یا یک هادی رفتار کند. این همان چیزی است که نیمه هادی ها را به عنوان کلید یا ترانزیستور در مدارهای مجتمع مفید می کند. شناخته شده ترین مواد نیمه هادی عنصری سیلیکون و ژرمانیوم هستند. سایر نیمه هادی های شناخته شده گالیم آرسنید، GaAs و فسفید ایندیم، InP هستند.

جدول زیر مقادیر شکاف باند را برای برخی از نیمه هادی های معروف ارائه می دهد [3]:

مواد	نماد	به عنوان مثال (eV)
		T = 0 K	T = 300 K
سیلیکون	سی	1.17	1.11
ژرمانیوم	GE	0.74	0.66
آنتیمونید ایندیم	InSb	0.23	0.17
آرسنید ایندیوم	InAs	0.43	0.36
ایندیم فسفید	InP	1.42	1.27
نیترید گالیم	شکاف	2.32	2.25
آرسنید گالیم	GaAs	1.52	1.43
آنتیمونید گالیم	GaSb	0.81	0.68
سلنید کادمیوم	CdSe	1.84	1.74
تلورید کادمیوم	CdTe	1.61	1.44
اکسید روی	ZnO	3.44	3.2
سولفید روی	ZnS	3.91	3.6

خواص نوری و شکاف باند

رنگ یک ماده به برهمکنش نور با اتم ها و الکترون ها بستگی دارد.

نور می تواند توسط یک ماده جذب، منتقل یا منعکس شود و میزان وقوع هر یک از اینها برای یک طول موج خاص، رنگ ماده را تعیین می کند. محدوده مرئی نور بین 390 نانومتر و 700 نانومتر یا 1.8 eV و 3.1 eV است.

به دلیل فراوانی الکترون های آزاد در یک فلز (در نوار رسانایی)، نور معمولاً تقریباً به طور کامل منعکس می شود. برخی از فلزات مانند مس و طلا برخی از طول موج های نور را جذب می کنند و به آنها رنگ می دهند، در حالی که برخی دیگر مانند نقره این کار را نمی کنند.

برای بسیاری از عایق‌ها، نور معمولاً بیشتر جذب می‌شود، مانند بیشتر سرامیک‌ها، مانند شیشه‌ها منتقل می‌شود یا پراکنده می‌شود.

برای نیمه هادی ها، نور نیز می تواند جذب شود، و فاصله باند عامل مهمی است که تعیین می کند کدام طول موج ها جذب می شوند. فقط نوری با انرژی (یا طول موج) بیشتر از انرژی شکاف نواری قابل جذب است.

نیمه رساناهایی مانند Si و GaAs به رنگ آبی تیره یا سیاه به نظر می رسند زیرا بیشتر طول موج های نور را در محدوده مرئی جذب می کنند. می توان از انرژی الکترون های برانگیخته شده به نوار رسانایی استفاده کرد فتوولتائیک.

نیمه هادی ها نیز می توانند نور ساطع کنند. هنگامی که الکترون ها از نوار رسانایی به نوار ظرفیت بازگردانده می شوند، می توانند اختلاف انرژی را به شکل فوتون منتشر کنند. انرژی این فوتون ها مطابق با انرژی شکاف نواری است که منحصر به نیمه هادی است.

نمونه‌هایی از دستگاه‌های نوری نیمه‌رسانا که از این ویژگی‌های ساطع نور بهره می‌برند، عبارتند از: دیودهای ساطع کننده نور (LED‌ها، مانند “دیود ساطع نور آبی”)، فتودیودها، آشکارسازهای نوری، و دستگاه‌های مدولاسیون نوری متنوع. [3].

نیمه هادی های باند پهن

همانطور که از نام آن مشخص است، نیمه هادی های باند پهن آنهایی هستند که دارای شکاف باند بزرگ هستند. TiO₂به عنوان مثال، سفید به نظر می رسد زیرا فقط نور ماوراء بنفش را جذب می کند و تمام نور مرئی را پراکنده می کند. دیگران مانند Fe₂O₃ و CdS، قرمز متمایل به نارنجی مایل به زرد به نظر می رسند زیرا طول موج های سبز، آبی و بنفش را جذب می کنند. [4].

[1] کیتل سی و مک یوئن پی (2019)، مقدمه ای بر فیزیک حالت جامد، ویرایش هشتم هوبوکن، نیوجرسی: جان وایلی و پسران.

[2] Serway، RA و Jewett، J. (2010)، فیزیک برای دانشمندان و مهندسان با مدرن فیزیک، ویرایش هشتم، جلد. 5، Cengage Learning، لس آنجلس، کالیفرنیا.

[3] تاکاشانی، ک.، یوشیکاوا، ا.، و شاندو آ. (2006)، نیمه هادی های پهن باند، ویژگی های اساسی و دستگاه های فوتونیک و الکترونیکی مدرناسپرینگر، نیویورک.

[4] دانشگاه کالیفرنیا در دیویس، LibreText، شیمی، 10.5: نیمه هادی ها – شکاف های نواری، رنگ ها، رسانایی و دوپینگ [Online].