बैण्ड अन्तराल

बैंड अंतराल जिसे भौतिक विज्ञान की ठोस अवस्था में ऊर्जा अंतराल "एनर्जी गैप" भी कहा जाता हैI दिए गए मॉडल के प्रारूप के अनुसार यह अंतराल विद्युत जनित ठोस अवस्था में स्थित नहीं हो सकता I ठोस पदार्थों की विद्युत् बैंड संरचना के ग्राफ़ में दर्शाये गए चित्र के अनुसार बैंड अंतराल सामान्यतया विद्युत पृथक्कर्ण और अर्धचालकों में स्थित संयोजी बंध के शीर्ष एवं चालन बैंड के निम्न भाग के मध्य  ऊर्जा के अंतर को संदर्भित करता है। संयोजकता इलेक्ट्रॉन के लिए परमाणु से बंधे रासायनिक संयोजन इलेक्ट्रॉन को बढ़ावा देने के लिए यह आवश्यक ऊर्जा है जो क्रिस्टल जाली के भीतर जाने के लिए स्वतंत्र रूप से विद्युत प्रवाह का संचालन करने के लिए चार्ज वाहक के रूप में कार्य करती है। यह रसायन विज्ञान में मॉलिक्यूलर बायोलॉजी के होमो/लूमो अंतर से संबंधित है। बैंड गैप की थ्योरी से ज्ञात होता है कि यदि संयोजकता बैंड पूर्ण रूप से भरा है और चालन बैंड पूरी तरह से खाली है तो इस स्थिति में कोई स्थायी अवस्था उपलब्ध नहीं हैI इसके परिणाम स्वरुप इलेक्ट्रॉन ठोस वस्तु के भीतर प्रवेश नहीं कर सकते। यदि इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल रुपी जाली के भीतर जाने के लिए स्वतंत्र नहीं हैं तो नेट चार्ज वाहक की गतिशीलता के कारण किसी भी तरह की धारा उत्पन्न नहीं हो सकतीI हालांकि कुछ इलेक्ट्रॉन संयोजन अंतराल यानि वैलेंस बैंड से कंडक्शन यानि चालक यानि ज्यादातर में स्थानांतरित होते हैंI बैंड अंतराल ठोस पदार्थ की विद्युत चालकता का निर्धारण करने वाला एक प्रमुख कारक है। बड़े बैंड अंतराल वाले पदार्थ आम तौर पर इंसुलेटर इलेक्ट्रिकल होते हैंI छोटे बैंड अंतराल वाले अर्धचालक होते हैं जबकि विद्युत चालक में या तो बहुत छोटे या बैंड अंतराल होते हैं या नहीं होते हैंI संयोजन और चालक अंतराल निरंतर अंतराल बनाने की क्रिया को लेकर त्वरित रूप से कार्य करते हैंI

अर्धचालक भौतिकी में

सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना।

प्रत्येक ठोस पदार्थ की अपनी विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना होती है जिसे ऊर्जा बैंड संरचना कहते हैंI बैंड संरचना में यह भिन्नता विभिन्न प्रकार से देखी गयी हैI विद्युत विशेषताओं की विस्तृत श्रृंखला इन विशेष तरह की संरचना का निर्माण करने के लिए जिम्मेदार है। आयाम के आधार पर बैंड संरचना और स्पेक्ट्रोस्कोपी भिन्न हो सकते हैं। ये विभिन्न प्रकार के आयाम सूचीबद्ध हैं जैसे एक आयाम, दो आयाम और तीन आयाम।

अर्धचालक और इन्सुलेटर मेंइलेक्ट्रॉन को ऊर्जा की कई इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना तक सीमित कर दिया जाता हैI बैंड गैप शब्द वैलेंस बैंड के शीर्ष और कंडक्शन बैंड के निचले हिस्से के बीच ऊर्जा अंतर को संदर्भित करता है। इलेक्ट्रॉन एक बैंड से दूसरे बैंड में संचारित होने में सक्षम होते हैं। हालांकि वैलेंस बैंड इलेक्ट्रॉन को चालन बैंड में बढ़ावा देने के लिए विशिष्ट न्यूनतम मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉन फोटॉन यानि प्रकाश को अवशोषित करके चालन बैंड में संचारित होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं।

अर्धचालक मध्यवर्ती आकार के गैर-शून्य बैंड अंतराल वाला पदार्थ है जो टी = 0 इन्सुलेटर के तौर पर प्रभाव डालता हैI यह अर्धचालक निम्न तापमान पर चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों के थर्मल उत्तेजना को प्रसारित करने की अनुमति देता है। विद्युत कंडक्टर में संयोजकता और चालन बैंड परस्पर व्याप्त हो सकते हैंI इसी कारण इलेक्ट्रॉनिक स्तर के साथ कोई बैंडगैप स्थित नहीं हो सकता है।

आंतरिक अर्धचालक की विद्युत चालकता बैंड अंतराल पर निर्भर करती है। विद्युत् चालन के लिए एकमात्र उपलब्ध चार्ज वाहक वे इलेक्ट्रॉन होते हैं जिनके बैंड अंतराल में पर्याप्त तापीय ऊर्जा होती है जो इलेक्ट्रॉन छेद निहित होते हैं और विक्षोभ यानि तीव्र उत्तेजना को निष्काषित करते हैंI

बैंड-गैप इंजीनियरिंग कुछ सेमीकंडक्टर मिश्र धातु ओं जैसे GaAlAs, InGaAs, InAlAs की संरचना को नियंत्रित करके बैंड अंतराल को नियंत्रित करने या बदलने की प्रक्रिया है। आण्विक-बीम अधिरोहण तकनीक द्वारा वैकल्पिक रचनाओं के साथ स्तरित सामग्रियों का निर्माण करना भी संभव है। इन विधियों का उपयोग हेटेरोजंक्शन द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर , लेज़र डायोड और सौर कोशिकाओं को रेखांकित करने में किया जाता है।

सेमीकंडक्टर्स और इंसुलेटर के बीच का अंतर अधिसमयवाद का विषय है। एक दृष्टिकोण यह है कि सेमीकंडक्टर्स को संकीर्ण बैंड गैप के साथ एक प्रकार के इन्सुलेटर के रूप में जाता है I

विस्तृत अंतराल वाले इंसुलेटर आमतौर पर 4 eV से अधिक बड़े होते हैं I विस्तृत अंतराल को अर्धचालक नहीं माना जाता हैI क्योंकि आम तौर पर व्यावहारिक परिस्थितियों में अर्धचालक अपनी प्रकृति के अनुरूप व्यवहार प्रदर्शित नहीं करता हैI बैंड अंतराल के अनौपचारिक वर्गीकरण को निर्धारित करने में इलेक्ट्रॉन गतिशीलता भी अहम भूमिका निभाती है।

बढ़ते तापमान के साथ अर्धचालकों की बैंड-गैप ऊर्जा कम हो जाती है। जब तापमान बढ़ता है तो परमाणु कंपन का आयाम बढ़ जाता है जिससे अंतर-परमाणु अंतर बड़ा हो जाता है। मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के बीच का परस्पर तालमेल बैंड गैप को कुछ हद तक प्रभावित करता है । बैंड विस्तृत अंतराल ऊर्जा और तापमान के बीच संबंध को वाई. पी. वार्ष्णी की अनुभवजन्य अभिव्यक्ति को "वाई.पी. वार्ष्णी के नाम पर" वर्णित किया जा सकता हैI

$E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}$, जहां ई_g(0), α और β भौतिक स्थिरांक हैं।

बढ़ते तापमान के साथ विद्युत् चालन कंपन बढ़ता है जिससे इलेक्ट्रॉन का प्रभाव बढ़ जाता है। इसके अतिरिक्त अर्ध चालक के भीतर आवेश वाहकों की संख्या में वृद्धि होती है क्योंकि अधिक वाहकों के पास बैंड-अंतराल थ्रेशोल्ड को पार करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की आवश्यकता होती हैI इसलिए बढ़ते तापमान के साथ अर्ध-चालकों की चालकता भी बढ़ जाती है।

नियमित अर्धचालक क्रिस्टल में निरंतर ऊर्जा प्रस्थापित होती हैI इस स्थिति में बैंड गैप निश्चित होता है। क्वांटम डॉट क्रिस्टल में बैंड गैप आकार पर निर्भर होता हैI जिसे वैलेंस बैंड और कंडक्शन बैंड के बीच ऊर्जा की श्रृंखला का उत्पादन करने के लिए बदला जा सकता है। इसे क्वांटम कारावास प्रभाव के रूप में भी जाना जाता है।

बैंड अंतराल भी दबाव पर निर्भर करता है। इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना के आधार पर बैंड अंतराल या तो प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष हो सकते हैं।

पूर्व में इस थ्योरी का वर्णन किया गया था कि आयामों में अलग-अलग बैंड संरचना और स्पेक्ट्रोस्कोपी यानि पदार्थ और विद्युत चुम्बकीय विकिरण के बीच क्रिया का अध्ययन है। गैर-धातु ठोस के लिए एक आयामी से परिपूर्ण होते हैं जिनमें ऑप्टिकल " प्रकाश संबंधी" गुण होते हैं जो वैलेंस और चालन बैंड के बीच विद्युत् संचरण पर निर्भर होते हैं। इसके अलावा स्पेक्ट्रोस्कोपिक विद्युत् प्रारंभिक और अंतिम कक्षीय की अभिन्न परिस्थितयों पर निर्भर करता है।

ठोसों की द्विविमीय संरचनाएँ परमाणु कक्षकों के अतिव्यापन के कारण व्यवहार करती हैं।सबसे सरल द्वि-आयामी क्रिस्टल में वर्ग जाली पर व्यवस्थित समान परमाणु होते हैं।कमजोर आवधिक क्षमता के कारण एक-आयामी स्थितियों के लिए ब्रिलॉइन ज़ोन के किनारे पर ऊर्जा विभाजन होता है जो बैंड के बीच अंतर पैदा करता है। गति की अतिरिक्त स्वतंत्रता होती है इसलिए एक-आयामी स्थितियों का व्यवहार द्वि-आयामी मामलों के लिए नहीं होता हैI इसके अलावा, दो-आयामी और त्रि-आयामी मामलों के लिए मजबूत आवधिक क्षमता के साथ बैंडगैप का उत्पादन किया जा सकता है।

प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल

Main article: प्रत्यक्ष अंतराल या अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल

बैंड संरचना के आधार पर सामग्री को प्रत्यक्ष अंतराल या अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल के साथ चित्रित किया जाता है। मुक्त-इलेक्ट्रॉन मॉडल में k मुक्त इलेक्ट्रॉन का संवेग है और ब्रिलौइन ज़ोन के भीतर अद्वितीय मान ग्रहण करता है जो क्रिस्टल जाली की आवधिकता को रेखांकित करता है। यदि चालक अंतराल में ऊर्जा की स्थिति और गति की तुलना की जाए तो ज्ञात होता है जब किसी ठोस पदार्थ की ऊर्जा स्थिति का मान समान है तो उस वस्तु का सीधा संपर्क ऊर्जा अंतराल से होता है I यदि वे समान नहीं हैं तो सामग्री में अप्रत्यक्ष ऊर्जा का समावेश निहित हैI मॉडल के अंतर्गत किये गए परिक्षण से ज्ञात होता है विद्युत् संचरण की पूर्ति करने के लिए ऊर्जा को गति हस्तांतरण से गुजरना होता है। प्रत्यक्ष ऊर्जा अंतराल के लिए वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को फोटॉन द्वारा चालन बैंड में प्रत्यक्ष संचारित किया जा सकता हैI

प्रत्यक्ष ऊर्जा अंतराल में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को प्रत्यक्ष तौर पर फोटॉन द्वारा चालक के माध्यम से प्रवाहित किया जा सकता हैI इसके विपरीत अप्रत्यक्ष ऊर्जा अंतराल में फोटॉन और फोनन दोनों को संयोजक सम्मिलित होता है I प्रत्यक्ष बैंड अंतराल में मजबूत प्रकाश उत्सर्जन और अवशोषण गुण होते हैं I जो प्रकाश उत्सर्जक डायोड और लेजर डायोड के लिए बेहतर अनुकूल होते हैंI हालांकि अप्रत्यक्ष ऊर्जा अंतराल अक्सर पीवी और एल ई डी में उपयोग की जाती हैI

प्रकाश उत्सर्जक डायोड और लेजर डायोड

Main article: प्रकाश उत्सर्जन डायोड

एल ई डी और लेजर डायोड आमतौर पर सेमीकंडक्टर सामग्री के बैंड गैप से थोड़ा अधिक ऊर्जा के साथ फोटॉन उत्सर्जित करते हैंI जैसे-जैसे बैंड गैप एनर्जी बढ़ती है एलईडी या लेजर का रंग इन्फ्रारेड से लाल, इंद्रधनुष से वायलेट में, फिर यूवी में बदल जाता है।

फोटोवोल्टिक सेल

Main article: सोलर सेल

शॉकली-क्विसर सीमा अर्धचालक बैंड अंतराल के एक समारोह के रूप में, गैर-केंद्रित सूर्य के प्रकाश के तहत एकल-जंक्शन सौर सेल की अधिकतम संभव दक्षता देती है। यदि बैंड गैप बहुत अधिक है, तो अधिकांश डेलाइट फोटोन अवशोषित नहीं किए जा सकते हैं; यदि यह बहुत कम है, तो अधिकांश फोटॉनों में बैंड गैप में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए आवश्यकता से अधिक ऊर्जा होती है, और शेष बर्बाद हो जाती है। आमतौर पर वाणिज्यिक सौर कोशिकाओं में उपयोग किए जाने वाले अर्धचालकों में इस वक्र के शिखर के पास बैंड अंतराल होते हैं, उदाहरण के लिए सिलिकॉन (1.1eV) या CdTe (1.5eV)। अग्रानुक्रम सौर सेल बनाने के लिए अलग-अलग बैंड गैप एनर्जी के साथ सामग्रियों को मिलाकर शॉकली-क्विसर की सीमा को प्रयोगात्मक रूप से पार कर लिया गया है।

ऑप्टिकल बैंड गैप यह निर्धारित करता है कि फोटोवोल्टिक सौर स्पेक्ट्रम के किस हिस्से को अवशोषित करना है। अर्धचालक कम ऊर्जा के फोटॉन को अवशोषित करने में असक्षम होता हैI चित्र में दर्शाया गया है कि फोटॉन द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल युग्म की ऊर्जा बैंडगैप ऊर्जा के बराबर होती है। इसमें ल्यूमिनेसेंट सौर कनवर्टर जोलुमिसेन्स यानि प्रकाश के माध्यम का उपयोग करता है ताकि बैंड गैप के ऊपर ऊर्जा वाले फोटॉन को सौर सेल से युक्त सेमीकंडक्टर के बैंड गैप के करीब फोटॉन ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सके।

बैंड अंतराल की सूची

कुछ चयनित सामग्रियों के लिए बैंड गैप मान नीचे दिए गए हैं। सेमीकंडक्टर्स में बैंड गैप की विस्तृत सूची के लिए सेमीकंडक्टर सामग्री की सूची देखें।

Group	Material	Symbol	Band gap (eV) @ 302K	Reference
III–V	Aluminium nitride	AlN	6.0
IV	Diamond	C	5.5
IV	Silicon	Si	1.14
IV	Germanium	Ge	0.67
III–V	Gallium nitride	GaN	3.4
III–V	Gallium phosphide	GaP	2.26
III–V	Gallium arsenide	GaAs	1.43
IV–V	Silicon nitride	Si3N4	5
IV–VI	Lead(II) sulfide	PbS	0.37
IV–VI	Silicon dioxide	SiO2	9
	Copper(I) oxide	Cu2O	2.1

ऑप्टिकल बनाम इलेक्ट्रॉनिक बैंडगैप

एक्साइटॉन यानि इलेक्ट्रान का एक प्रकार का समूह जिसमें फोटॉन के लिए उत्तेजक ऊर्जा का संचार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होना जरूरी हैI लेकिन इलेक्ट्रॉन का विखंडन करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं है जो विद्युत रूप से प्रत्येक के लिए आकर्षित होते हैंI इस स्थिति में ऑप्टिकल बैंड अंतराल और इलेक्ट्रॉनिक बैंड अंतराल के बीच अंतर होता है। ऑप्टिकल बैंडगैप फोटॉन को अवशोषित करने के लिए आवश्यक है जबकि ट्रांसपोर्ट अंतराल इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी बनाने के लिए आवश्यक है दोनों एक साथ एकत्रित नहीं हो सकतेI ऑप्टिकल अंतराल ट्रांसपोर्ट अंतराल की तुलना में कम ऊर्जा अवशोषित करता है।

लगभग सभी अकार्बनिक अर्धचालक जैसे कि सिलिकॉन, गैलियम आर्सेनाइड, इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों बहुत छोटी बाध्यकारी ऊर्जा के बीच बहुत कम परस्पर सामंजस्य रखते हैं I ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक अंतराल अनिवार्य रूप से समान होते हैंI हालांकि कुछ प्रणालियों में कार्बनिक अर्धचालक और कार्बन नैनोट्यूब का अंतर भी महत्वपूर्ण होता हैI

अन्य अर्ध-कणों के लिए बैंड अंतराल

फोटोनिक्स में बैंड अंतराल या स्टॉप बैंड फोटॉन फ़्रीक्वेंसी की रेंज को दर्शाता है I इस व्यवहार को प्रदर्शित करने वाली क्रिया को फोटोनिक क्रिस्टल के रूप में जाना जाता है। अति एकरूपता की अवधारणा के अंतर्गत फोटोनिक क्रिस्टल से अलग फोटोनिक बैंड गैप सीमा को की सीमा को अधिक विस्तृत तौर पर प्रस्तुत किया गया हैI सुपरसिमेट्रिक क्वांटम यांत्रिकी में तकनीक को ऑप्टिकल अव्यवस्थित क्रिया को नए वर्ग के तौर पर प्रयुक्त किया गया है I जो क्रिस्टल या क्वासिक क्रिस्टल के बराबर बैंड गैप का समर्थन करते हैं। इसी तरह की भौतिकी ध्वन्यात्मक क्रिस्टल में फोनोन पर लागू होती है।

सामग्री

• [[ एल्युमिनियम गैलियम आर्सेनाइड ]]
• बोरॉन नाइट्राइड
• ईण्डीयुम गैलियम आर्सेनाइड
• ईण्डीयुम आर्सेनाइड
• गैलियम आर्सेनाइड
• गैलियम नाइट्राइड
• जर्मेनियम
• धातु हाइड्रोजन

इलेक्ट्रॉनिक्स विषयों की सूची

• इलेक्ट्रानिक्स
• बैंडगैप वोल्टेज संदर्भ
• संघनित पदार्थ भौतिकी
• प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष बैंडगैप्स
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• अर्धचालक
• सेमीकंडक्टर डिवाइस
• अत्यधिक सहसंबद्ध सामग्री
• संयोजी बंध

यह भी देखें

• वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर ्स
• बैंड झुकना
• वर्णक्रमीय घनत्व
• स्यूडोगैप
• टौक प्लॉट
• मॉस-बरस्टीन प्रभाव
• अर्बच ऊर्जा

बाहरी संबंध

• Direct Band Gap Energy Calculator
• Moriarty, Philip. "Energy Gap (and what makes glass transparent?)". Sixty Symbols. Brady Haran for the University of Nottingham.