Energieverschil tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband. Silicium heeft bij kamertemperatuur ongeveer 1,12 eV. Hoe groter, hoe beter het bestand is tegen hoge temperaturen en hoge spanningen.
Japanse benaming: バンドギャップ
“Bandgap (bandkloof)” komt voor in 63 oefenvragen uit 15 onderwerpen, bijv. Verbindingshalfgeleiders, Halfgeleiderfysica, PN-overgang en diode.
Vakgebied: Halfgeleiderfysica
De bandgap Eg bepaalt welk licht een halfgeleider absorbeert of uitzendt, via λ (nm) ≈ 1240 / Eg (eV): silicium met ongeveer 1,12 eV absorbeert tot ongeveer 1,1 µm, germanium met ongeveer 0,66 eV tot ongeveer 1,9 µm, en GaAs met 1,42 eV zendt uit rond 870 nm. Ook de intrinsieke ladingsdragerdichtheid hangt ervan af, ni ∝ T^(3/2)·exp(−Eg/2kT): ongeveer 1×10^10 cm^-3 voor silicium bij kamertemperatuur, tegenover ongeveer 2×10^13 voor germanium en 2×10^6 voor GaAs. Een kleine ni houdt de lekstroom van juncties laag en zorgt ervoor dat de geleidbaarheid met lichte dotering te regelen is. De bandgap zelf wordt met stijgende temperatuur iets kleiner, in silicium ongeveer 0,3 meV/K.
In een halfgeleider met een directe bandgap, zoals GaAs of InGaN, liggen het minimum van de geleidingsband en het maximum van de valentieband bij hetzelfde kristalimpuls, zodat een elektron en een gat efficiënt kunnen recombineren onder uitzending van een foton. Silicium heeft een indirecte bandgap, waardoor stralende recombinatie ook een fonon vereist en zwak is; recombinatie verloopt daar vooral via diepe traps (Shockley-Read-Hall-recombinatie). Daarom gebruiken leds en lasers verbindingshalfgeleiders: InGaN voor blauw en, met meer indium, groen; AlGaInP voor rood rond 1,9–2,0 eV; AlGaN voor diep ultraviolet.
Wide-bandgaphalfgeleiders, met grofweg 3 eV en meer, verdragen hoge veldsterktes en hoge temperaturen omdat er weinig ladingsdragers thermisch worden aangeslagen. 4H-SiC (ongeveer 3,26 eV) en GaN (ongeveer 3,4 eV) hebben een doorslagveldsterkte van bijna tien keer die van silicium, zodat een SiC-driftlaag voor dezelfde spanning ongeveer een tiende zo dik kan zijn en ongeveer 100 keer zwaarder gedoteerd, wat de aan-weerstand sterk verlaagt. Ultra-wide-bandgapmaterialen zoals Ga2O3 (ongeveer 4,5–4,9 eV) en diamant (ongeveer 5,5 eV) gaan nog verder. Isolatoren liggen nog hoger: SiO2 heeft ongeveer 9 eV en HfO2 ongeveer 5,8 eV.
Met legeringen is Eg traploos af te stemmen: AlGaAs stijgt vanaf 1,42 eV en blijft daarbij roosteraangepast aan GaAs, In0.53Ga0.47As op InP geeft ongeveer 0,75 eV voor fotodetectoren voor 1,55 µm, en HgCdTe bestrijkt bijna 0 tot 1,5 eV voor infrarooddetectoren. Heterojuncties, zoals de SiGe-basis met smalle bandgap in een HBT, benutten verschillen in bandgap. Zeer zware dotering verkleint de schijnbare bandgap, terwijl quantumopsluiting in fins of nanosheets van enkele nanometers dik hem vergroot. De bandgap bepaalt ook de Shockley-Queisser-limiet van ongeveer 33% voor zonnecellen met één junctie, en een bandgap-referentieschakeling levert ongeveer 1,2 V, dicht bij de bandgap van silicium geëxtrapoleerd naar 0 K.
Antwoord: B. ca. 1,12 eV
De bandkloof van silicium bedraagt bij kamertemperatuur ca. 1,12 eV, en de bovengrens van de golflengte van absorbeerbaar licht is ca. 1,1 µm (1240 ÷ 1,12). Ca. 0,66 eV is de waarde van germanium, waarbij door de kleinere kloof bij hoge temperatuur gemakkelijk meer lekstroom ontstaat; ca. 3,4 eV is die van GaN, een halfgeleider met brede bandkloof die geschikt is voor hoge spanning, hoge temperatuur en blauwe LED’s. Silicium neemt een middenpositie in en werd, samen met de mogelijkheid om een goed thermisch oxide (SiO2) te vormen, de hoofdrolspeler van LSI.
Antwoord: A. Vlak bij de onderkant van de geleidingsband (ca. 0,045 eV eronder)
Het donorniveau van fosfor ligt met ca. 0,045 eV zeer ondiep onder de onderkant van de geleidingsband en bij de thermische energie bij kamertemperatuur (ca. 0,026 eV) wordt vrijwel alles geïoniseerd en levert elektronen. Arseen ligt op ca. 0,054 eV, en het acceptorniveau van boor op ca. 0,045 eV boven de valentieband. Bij ondiepe niveaus wordt de binding verzwakt door de permittiviteit van het gastheermateriaal, zodat ze met een waterstofatoommodel kunnen worden geschat. Diepe niveaus nabij het midden van de kloof worden veroorzaakt door onzuiverheden zoals goud en vormen recombinatiecentra.
Het is de minimale energie die nodig is om een elektron uit een binding los te maken zodat het kan geleiden, gelijk aan het energieverschil tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband. Metalen hebben geen bandgap bij het Fermi-niveau, halfgeleiders een gematigde en isolatoren een zeer grote.
Gebruik λ (nm) ≈ 1240 / Eg (eV). Voor de 1,12 eV van silicium geeft dit ongeveer 1,1 µm, de langste golflengte die silicium efficiënt absorbeert.
Bij een directe bandgap vallen de bandranden samen in kristalimpuls, zodat elektronen en gaten efficiënt recombineren onder uitzending van licht, zoals in GaAs. Bij een indirecte bandgap, zoals die van silicium, is daarnaast een fonon nodig, waardoor de lichtemissie zwak is.
De bandkloof van silicium bedraagt bij kamertemperatuur ca.
Welke waarde ligt het dichtst bij de bandkloof van silicium…De bandkloof van germanium is bij kamertemperatuur ca.
Welke waarde ligt het dichtst bij de bandkloof van germaniu…SiO2 heeft een zeer grote bandkloof van ca.
Welk van de volgende materialen heeft de grootste bandkloof?Bij hogere temperatuur wordt de bandkloof iets kleiner door thermische uitzetting van het rooster en de wisselwerking tussen elektronen en roostertrillingen.
Wat gebeurt er met de bandkloof van silicium wanneer de tem…Halfgeleiders met een bandkloof van ruwweg 3 eV of meer worden wide-bandgap-halfgeleiders genoemd, met SiC (ca.
Wat is de verzamelnaam voor halfgeleiders met een grotere b…GaN (galliumnitride) GaAs (galliumarsenide) SiC (siliciumcarbide) Mobiliteit InP (indiumfosfide) HBT (heterojunctie-bipolaire transistor) SiGe (silicium-germanium) Via Fermi-niveau Intrinsieke ladingdragerdichtheid