Energiebänder

Energiebänder, auch Bandstruktur genannt, sind Bereiche erlaubter Elektronenenergie in Kristallen, die sich aus dem periodischen Potential des Kristallgitters ergeben. Durch die Kopplung benachbarter Atomorbitale bilden sich aus diskreten Energien kontinuierliche Bänder, während energetische Lücken zwischen ihnen unzugängliche Zustände trennen. Die Anordnung der Bänder und die Lage des Fermi-Niveaus bestimmen, ob ein Material als Leiter, Halbleiter oder Isolator wirkt.

Der Bandgap-Typ (direkt oder indirekt) beeinflusst wesentlich die optischen Eigenschaften eines Materials: Bei einem direkten Gap können Elektronen und Löcher im selben Zeitpunkt ein Photon emittieren oder absorbieren, während bei indirekten Bändern ein Phonon beteiligt ist.

Bandstrukturen entstehen aus periodischem Gitterpotential; Modelle wie Tight-Binding oder nahezu freies Elektronenmodell beschreiben die Bildung von Bändern aus Atomorbitalen. Die Bandanordnung, das Fermi-Niveau und die Zustandsdichte bestimmen die elektronischen Eigenschaften.

Experimentell und theoretisch werden Bandstrukturen mit Techniken wie ARPES (winkelaufgelöste Fotoemission), optische Spektroskopie, Tunneling-Spektroskopie und Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht. Bandstrukturen ermöglichen das Bandgap-Engineering durch Dotierung, Legierungen oder Mehrschicht- oder Quantenschränke, um Bauelemente wie Transistoren, LEDs oder Solarzellen zu optimieren.

Beispielhaftes Material ist Silizium, dessen Raumtemperatur-Bandabstand etwa 1,1 eV beträgt. Dotierung mit Donatoren oder Akzeptoren erzeugt n- bzw. p-Typ-Halbleiter und verändert die Konzentration freier Ladungsträger. Die Energiebänder bilden die Grundlage moderner Elektronik und Optoelektronik.