Bandgap: geleiders, halfgeleiders en isolatoren
In vaste stoffen liggen elektronenenergieën in banden, en de bandgap bepaalt of een materiaal stroom geleidt. Dit onderwerp komt terug bij zonnecellen, LDR's en NTC's.
In een vaste stof liggen de energieniveaus van de elektronen niet los van elkaar. Ze vormen banden. De valentieband is de band met de elektronen die in de grondtoestand vastzitten. De geleidingsband is de band waarin elektronen vrij kunnen bewegen en stroom geven.
Tussen die twee banden zit soms een energiesprong, de bandgap. Of er stroom loopt, hangt af van die bandgap.
- Bij een geleider overlappen de banden of is de geleidingsband al deels bezet. Elektronen kunnen dan meteen bewegen.
- Bij een halfgeleider is de bandgap klein. Een foton met genoeg energie of een hogere temperatuur brengt elektronen omhoog naar de geleidingsband.
- Bij een isolator is de bandgap groot. Elektronen komen er nauwelijks overheen.
Bij een zonnecel maakt een foton met een energie groter dan de bandgap één elektron vrij. Dat elektron geeft stroom. Foton met te weinig energie helpt niet.
Bij een LDR neemt de weerstand af als er meer licht op valt. Er komen dan meer elektronen in de geleidingsband.
Bij een NTC neemt de weerstand af als de temperatuur stijgt. Ook dan komen er meer elektronen in de geleidingsband.
Onthoud
In een halfgeleider ligt de geleidingsband boven de gevulde valentieband, gescheiden door de bandgap.
Een foton maakt alleen een elektron vrij als zijn energie groter is dan de bandgap.
Bij een isolator is de bandgap zo groot dat er vrijwel geen elektronen omhoog komen.
Een LDR heeft minder weerstand bij meer licht, omdat er meer elektronen vrijkomen.
Een NTC heeft minder weerstand bij een hogere temperatuur.
Voorbeeld uit een echt examen
ex2
Bij deze vraag bepaal je de maximale golflengte van een foton dat een elektron in silicium in de geleidingsband brengt.
- 1
De bandgap van silicium staat in figuur 5 en is 1,10 eV.
Veelgemaakte fouten
Je denkt dat elk foton een elektron vrijmaakt. Reken eerst uit of de energie van het foton groter is dan de bandgap.
Je verwart eV met J. Reken de bandgap om met 1,602 · 10⁻¹⁹ J per eV voordat je in E = hc/λ invult.
Snel checken
Wat geldt voor een isolator ten opzichte van een halfgeleider?
Wat gebeurt er met de weerstand van een NTC als de temperatuur stijgt?