Bandlücke

Bandlücke, auch Bandabstand genannt, ist der energetische Abstand im Kristall eines Festkörpers zwischen dem oberen Rand des Valenzbandes und dem unteren Rand des Leitungsbandes. Sie bezeichnet die minimale Energie, die ein Elektron benötigt, um vom Valenzband in das Leitungsband zu gelangen und dadurch zur elektrischen Leitfähigkeit beizutragen. Die Bandlücke wird in Elektronenvolt (eV) angegeben. In Metallwerkstoffen gibt es oft kein klares Bandgap, weil Valenz- und Leitungsband überlappen; in Isolatoren und Halbleitern existiert dagegen eine Bandlücke unterschiedlicher Größe. Größere Bandlücken führen zu geringerem elektrischen Leitungspotenzial bei niedrigen Temperaturen.

Direkte und indirekte Bandlücken unterscheiden sich durch den k-Vektor, an dem das Valenzband endet und das Leitungsband beginnt. Bei direkter Bandlücke liegt der minimale Energiesprung am gleichen k-Wert, was Radiationstransitionen erleichtert und Materialien wie GaAs gute LEDs ergibt. Indirekte Bandlücken erfordern zusätzlich Phononwechselwirkungen, was die lichtemittierende Effizienz verringert; Silizium besitzt eine indirekte Bandlücke und wird daher weniger für LEDs verwendet, ist jedoch Basisbauelement vieler elektronischer Schaltungen.

Die Bandlücke hängt von Temperatur und Größe des Systems ab. Mit steigender Temperatur nimmt sie tendenziell ab (Varshni-Gesetz). In Nanostrukturen führt Quantenkonfinement zu einer Vergrößerung der Bandlücke. Praktisch prägt die Bandlücke entscheidend die Anwendung von Halbleitern in Dioden, Transistoren, LEDs, Solarzellen und photoelektronischen Bauelementen. Messmethoden umfassen optische Absorption, Photolumineszenz und Spektroskopie am Rastertunnelmikroskop.