Bändiaukko, jota kutsutaan myös nimellä bandgap tai energia-aukko, on kiinteässä aineessa oleva energia-alue, jossa ei voi olla elektronitiloja. Termi on keskeinen sekä kiinteän aineen fysiikassa että kemiassa. Bändiaukon suuruus määrää, kuinka helposti elektroneja voidaan siirtää valenssikaistan yläosasta johtokaistaan, ja siten se vaikuttaa aineen sähköisiin ja optisiin ominaisuuksiin.

Mitä bändiaukko tarkoittaa käytännössä?

Elektronit voivat kiinteässä aineessa täyttää tietyt energiatilat. Valenssikaistan elektronit ovat sidoksissa atomeihin, kun taas johtokaistassa olevat elektronit voivat liikkua vapaasti ja kuljettaa varauksia. Bändiaukko on näiden kaistojen välinen energiaero: energia, joka tarvitaan vapauttamaan elektronin ulkokuorelta niin, että siitä tulee liikkuva varauksenkuljettaja. Toisin sanoen ainoastaan, kun elektroni saa vähintään bändiaukon verran energiaa, se voi siirtyä johtokaistaan ja lisätä materiaalin johtavuutta.

Yksiköt ja tyypilliset arvot

Bändiaukon suuruus ilmoitetaan yleisesti elektronivoltteina). Esimerkkejä tyypillisistä bändiaukoista:

  • Piillä (Si) noin 1,12 elektronivoltteina)
  • Germaniumilla (Ge) noin 0,66 elektronivoltteina)
  • GaAs:lla noin 1,42 elektronivoltteina)

Suuret bändiaukot tekevät materiaalista yleensä hyvän eristeen, pienemmät bändiaukot luonnehtivat puolijohteita, ja Johtajilla bändit voivat olla päällekkäisiä tai aukko erittäin pieni, jolloin johtokyky on korkea.

Suorat ja epäsuorat bändiaukot

Puolijohteiden bändiaukot ovat joko suoria tai epäsuoria. Suorassa bändiaukossa johtokaistan alin ja valenssikaistan ylin kohta sijaitsevat samalla aaltoluvulla, joten elektroni voi siirtyä kaistojen välillä absorboimalla tai emittoimalla photonin ilman että fononi (verkkoäännen kvantti) osallistuu. Tämä tekee materiaaleista, kuten GaAs, tehokkaita valonlähteinä (LEDit, laserit). Epäsuorassa bändiaukossa, kuten piillä, siirtymiseen tarvitaan myös fononi, mikä tekee optisista prosesseista vähemmän tehokkaita.

Vaikutus sähkönjohtavuuteen ja lämpötilariippuvuus

Bändiaukon suuruus määrää intrinsisen (puhtaan) puolijohteen kantajien tiheyden. Lämpöenergia voi eksitoida elektroneja valenssista johtoon: mitä pienempi bändiaukko, sitä helpommin lämpö voi tuottaa johtavia elektroneja. Tämän vuoksi puolijohteiden johtavuus kasvaa lämpötilan noustessa. Lisäksi bändiaukko yleensä pienenee hieman lämpötilan noustessa johtuen kiderakenteen laajenemisesta ja elektronien vuorovaikutuksista.

Doping ja ekstruusiivinen johtavuus

Puolijohteiden johtavuutta voidaan säädellä tarkoituksellisesti dopingilla eli lisäämällä pieniä määriä epäpuhtauksia, jotka luovuttavat elektroneja (donorit) tai vastaanottavat elektroneja (akseptorit). Doping muuttaa Fermin tason sijaintia ja kasvattaa vapaita kantajia ilman, että tarvitaan suurta lämpöenergian syöttöä bändiaukon ylittämiseksi. Tällä periaatteella toimivat mm. transistori- ja diodipiirit.

Optiset ominaisuudet ja sovellukset

Bändiaukon energia määrittää myös materiaalin absorptio- ja emittoivan valon aallonpituuden: fotonin energia pitää olla vähintään bändiaukon suuruinen, jotta se absorboituu ja synnyttää elektronin ja aukon parin. Tämä on keskeistä esimerkiksi aurinkokennoissa, valoemissiivisissa diodeissa ja fotodetektoreissa. Puolijohdemateriaalien valinta säädetään halutun toiminnan ja aallonpituuden mukaan.

Mittaaminen ja teoreettinen kuvaus

Bändiaukkoa mitataan spektroskopian, optisen absorbtion ja fotoelektronisen spektroskopian menetelmin sekä lasketaan teoreettisesti kvasihiukkas- ja tiheysfunktionaaliteorian (DFT) kaltaisilla menetelmillä. Käytännössä mitattu arvo voi riippua esimerkiksi dopauksesta, pinnan olomuodosta ja lämpötilasta.

Yhteenvetona: bändiaukko on peruskäsite, joka selittää, miksi aineet käyttäytyvät eristeinä, puolijohteina tai johtimina, ja se määrittää olennaisesti materiaalien sähköiset ja optiset ominaisuudet sekä niiden soveltuvuuden elektroniikkaan ja fotoniikkaan. Bändiaukon hallinta — materiaalivalinnalla, valmistusmenetelmillä ja dopauksella — on puolijohdeteknologian perusta.