Bandlücken

Bandlücke, auch Bandgap genannt, ist die energetische Differenz zwischen der oberen Kante des Valenzbands und der unteren Kante des Conductionbands in einem kristallinen Festkörper. Sie bestimmt, ob ein Material als Isolator, Halbleiter oder Metall einzustufen ist. In Metallen überlappt das Valenz- und das Leitungsband typischerweise, sodass keine klare Bandlücke existiert; in Isolatoren ist die Lücke groß, in Halbleitern moderat und oft temperaturabhängig.

Ein wichtiger Unterschied ist der direkter vs. indirekter Bandabstand. Ein direkter Bandabstand besteht, wenn der minimale Zustand des Conductionbands und der maximale Zustand des Valenzbands im gleichen Impulsraum k liegen. Direkte Bandlücken ermöglichen effiziente radiative Übergänge und sind für LEDs und Laser von Vorteil. Indirekte Bandlücken treten auf, wenn sich die Extremwerte bei unterschiedlichen k-Vektoren befinden, wodurch Phononen als Hilfsprozesse nötig sind und optische Übergänge weniger effizient sind.

Bandlücken beeinflussen maßgeblich die optischen Eigenschaften eines Materials. Die Absorptionskante zum Beispiel setzt sich bei Energie unterhalb der Bandlücke deutlich ab, und die Photolumineszenz spiegelt die Bandlückenenergie wider. Halbleiter mit geeigneten Lücken werden in der Elektronik, Optoelektronik und Photovoltaik genutzt. Typische Beispiele sind Silizium (etwa 1,12 eV, indirekte Lücke) und Galliumarsenid (GaAs, ca. 1,42 eV, direkte Lücke). Breitere Bandlücken finden sich in GaN (~3,4 eV) und anderen Materialien für LEDs im Blauen- bis Ultravioletbereich.

Bandlücken können durch Temperatur, Druck, Komposition (Alloying) und Quantenkaskade (Quantenwell, -korn) verändert werden. Ihre Messung erfolgt über Absorptionsspektren, Tauc-Plots oder Photolumineszenz. Die Bandlücke ist damit ein zentrales Konzept für das Design und die Funktion von elektronischen und optischen Bauelementen.