Főmenü megnyitása

Módosítások

2 954 bájt hozzáadva ,  4 évvel ezelőtt
Optikai gap leírása és források
A '''tiltott sáv''' a [[szilárdtestfizika]] egyik alapvető fogalma, a szilárd test sávszerkezetének egy olyan tartománya, melyben az elektronállapotok tiltottak.<ref name="JSolyom_SzilFiz2">{{CitLib|szerző= [[Sólyom Jenő (fizikus)|Sólyom Jenő]] |cím= A modern szilárdtest-fizika alapjai II. |alcím= Fémek, félvezetők, szupravezetők |hely= Budapest |kiadó= ELTE Eötvös Kiadó |év= 2010 |isbn= ISBN 9789633120286}}</ref><ref name="CKittel_SzilFiz">{{CitLib|szerző= Charles Kittel |cím= Bevezetés a szilárdtest-fizikába |hely= Budapest |kiadó= Műszaki Könyvkiadó |év= 1981}}</ref> A sávszerkezet modelljében a tiltott sáv a [[vegyértéksáv]] teteje és a [[vezetési sáv]] alja között helyezkedik el. Szigorúbb értelemben véve a két említett sáv közötti (elektronvoltokban mért) energiaintervallumot is érthetjük tiltott sávon. Ez az energia megfelel annak, amit egy elektronnal minimálisan közölni kell ahhoz, hogy az a kötött állapotból a vezetési sávba lépjen, ezáltal szabad töltéshordozóvá váljon.
 
A vezetési sáv mérete alapvetően befolyásolja az anyag vezetési tulajdonságait. A nagy tiltott sávú anyagokat, melyek vegyértéksávja teljesen betöltött, vezetési sávja pedig üres (azaz a [[Fermi-szint]] a tiltott sávba esik), szigetelőknek nevezzük. A [[félvezető]]k tiltott sávja kisebb, míg a [[Elektromos_vezetés|vezetők]] tiltott sávja nagyon kicsi, vagy nem is létezik, mivel a vegyértéksáv és a vezetési sáv átfed egymással, azaz a Fermi-szint egy sáv belsejében található.
 
== Szilárdtestfizikai megfogalmazás ==
[[File:Band_filling_diagram.svg|right|thumb|Az anyag vezetési jellegét a sávszerkezet és a betöltöttség határozza meg.]]
A szilárdtestfizika fogalmai alapján minden szilárdtest jellemezhető egy energia-sávszerkezettel. A sávszerkezet azt jelöli, hogy mely energiaszintek tölthetők be és melyek tiltottak az elektronok számára. A sávszerkezet jellemzőivel a szilárd testek elektromos tulajdonságainak széles skálája ábrázolható, magyarázható.<ref name="JSolyom_SzilFiz2"></ref>
 
A sávszerkezetről általában periodikus szerkezetek (kristályok) esetén célszerű beszélni, ahol az elektromos tulajdonságok nem pontról pontra változnak, azaz minden rácspont környezetében hasonló vezetési jelenségek alakulnak ki. Azonban a tiltott sáv fogalmát más, nem periodikus szilárdtestek leírására is alkalmazzák, például amorf anyagok<ref>Kamiya, T., Nomura, K., & Hosono, H. (2009). Origins of high
mobility and low operation voltage of amorphous oxide TFTs: Electronic
structure, electron transport, defects and doping. ''Display Technology, Journal of'', ''5''(7), 273-288.</ref>, vezető polimerek<ref>Roncali, J. (2007). Molecular engineering of the band gap of π‐conjugated systems: Facing technological applications. ''Macromolecular Rapid Communications'', ''28''(17), 1761-1775.</ref> lokális elektromos jellemzésére.
 
Félvezető és vezető anyagokban az elektronok energiaszintje bizonyos sávokban jelentkezhet, mely kijelöli a vezetési és vegyértéksávot. Tiltott sávnak nevezzük azt a sávot, mely energiaszinteken az elektron tartózkodása nem megengedett. Ezt a sávot a vegyértéksáv teteje és a vezetési sáv alja jelöli ki, melyet az elektron csak akkor képes átlépni, ha legalább a tiltott sáv nagyságának megfelelő energiát adjuk át neki. Ez történhet például [[fonon]] (hő) vagy [[foton]] (fény) elnyelésével.
 
Az anyagokat vezetési jellegük szerint gyakran a tiltott sáv mérete alapján csoportosítjuk. A [[félvezető]]k az anyagok azon csoportja, melyek nem túl nagy tiltott sávval rendelkeznek: ez elektronoknak van lehetőségük a tiltott sáv átlépésére például termikus gerjesztés hatására. A [[szigetelő]]k ennél jóval nagyobb tiltott sávval rendelkeznek, így a tiltott sáv átlépésére az elektronok túlnyomó többségének nincs elegendő energiája. A szilárdtestfizikában a szigetelőkre gyakran tekintenek széles tiltott sávú félvezetőként, ugyanis a két típus közötti különbség csak a tiltott sáv mérete, és hogy ez nagynak, vagy kicsinek tekinthető, az az adott környezettől (jellemzően a hőmérséklettől) függ. A [[Fermi-szint]] szigetelők és [[intrinsic félvezető]]k esetében a tiltott sáv közepén helyezkedik el. Jellegében eltérnek ettől a vezetők. Ezekben a Fermi-szint egy sáv belsejében található, azaz más megfogalmazásban a vegyértéksáv és a vezetési sáv átlapol egymással. A vezetők speciális esete a félfémes anyagok (metalloidok), melyekben a tiltott sáv szélessége éppen nulla, a vegyértéksáv és a vezetési sáv éppen összeér.
 
A [[Fermi-szint]] szigetelők és [[intrinsic félvezető]]k esetében a tiltott sáv közepén helyezkedik el. Jellegében eltérnek ettől a vezetők. Ezekben a Fermi-szint egy sáv belsejében található, azaz más megfogalmazásban a vegyértéksáv és a vezetési sáv átlapol egymással. A vezetők speciális esete a félfémes anyagok (metalloidok), melyekben a tiltott sáv szélessége éppen nulla, a vegyértéksáv és a vezetési sáv éppen összeér.
 
===Matematikai értelmezés===
 
Az alkalmazások szempontjából fontos jellemző, hogy a kérdéses anyag direkt vagy indirekt tiltott sávval rendelkezik-e. Direkt tiltott sávról akkor beszélünk, ha a vegyértéksáv teteje és a vezetési sáv alsó éle azonos pontján jelentkezik a [[Brillouin zóna|Brillouin zónának]], azaz azonos hullámszámvektor tartozik hozzájuk. Egy direkt tiltott sávot átlépő elektronnal csak a tiltott sávnak megfelelő energiát kell közölni, hogy az átmenet lehetségessé váljon. Ezzel szemben az indirekt tiltott sávú anyagokban a két sávél között nem csupán energiában, de hullámszámban is különbség van, így az átmenethez az elektronnak energiát is kell kapnia és a szükséges hullámszámkülönbséget is le kell küzdenie. Ekkor például az energiát biztosító fotonon kívül egy fononnal is kölcsönhatásba kell lépjen. Az ilyen háromrészecskés kölcsönhatások valószínűsége lényegesen kisebb, mint a direkt tiltott sávon csupán két részecske kölcsönhatásaként létrejövő átmenet. Az ötvözetlen szilícium például indirekt tiltott sávval rendelkezik, így a fent leírt tulajdonsága következtében lézerként nem alkalmazható.
 
== Optikai és elektromos tiltott sáv ==
Ha egy anyagban nagy az [[exciton]] kötési energia, előállhat az az eset, hogy egy beeső foton épp csak annyi energiával rendelkezik, hogy egy elektront a vegyértéksávból a vezetési sávba gerjesszen, azaz excitont hozzon létre, de az exciton kötési energia felszakítására (azaz az egymást vonzó [[elektron]] és [[elektronlyuk]] egymástól való eltávolítására) már nincs elég energia. Ilyen esetben érdemes megkülönböztetni az optikai és az elektromos tiltott sávot. Míg az előbbi az exciton gerjesztéshez szükséges energiánk felel meg, utóbbi az excitongerjesztést és az exciton kötési energia felszakítását is magában foglalja.
 
Ennek megfelelően az optikai tiltott sáv az a legkisebb energia, melyen fotonabszorpció létrejöhet, mely mindig kisebb, mint az elektromos tiltott sáv. A kétféle tiltott sáv sok félvezető anyag (pl. szilícium, gallium-arzenid) esetén csak kis mértékben különbözik, így az excitonok hatásától az elektromos leírásban sokszor eltekinthetünk. Azonban az olyan anyagok esetén, melyekben vannak nagy exciton kötési energiájú töltéshordozók (pl. félvezető fém-oxidok<ref>Özgür, Ü., Alivov, Y. I., Liu, C., Teke, A., Reshchikov, M., Doğan, S.,
... & Morkoc, H. (2005). A comprehensive review of ZnO materials and
devices. ''Journal of applied physics'', ''98''(4), 041301.</ref><ref>Look, D. C. (2001). Recent advances in ZnO materials and devices. ''Materials Science and Engineering: B'', ''80''(1), 383-387.</ref>, szerves félvezetők<ref>Friend, R. H., Gymer, R. W., Holmes, A. B., Burroughes, J. H., Marks, R.
N., Taliani, C. D. D. C., ... & Salaneck, W. R. (1999).
Electroluminescence in conjugated polymers. ''Nature'', ''397''(6715), 121-128.
</ref>, szén nanocsövek<ref>Iijima, S. (1991). Helical microtubules of graphitic carbon. ''nature'', ''354''(6348), 56-58.</ref>), ezek hatását figyelembe kell venni a vezetési tulajdonságok jellemzésekor.
 
== Fordítás ==
7 515

szerkesztés