В полупроводнике, таком как кремний, разница в энергии между верхней частью валентной зоны и нижней частью зоны проводимости называется запрещённой зоной (band gap). Или, другими словами, это количество энергии, измеряемое в электронвольтах (эВ), необходимое для освобождения валентного электрона от его орбиты и перевода его на уровень проводимости.
1 эВ = 1,602 × 10⁻¹⁹ джоулей
Джоуль — это единица работы или энергии в системе СИ, равная силе в 1 ньютон, приложенной на расстоянии 1 метра, или току в 1 ампер, протекающему через резистор сопротивлением 1 ом в течение 1 секунды. Запрещённая зона для кремния составляет 1,1 эВ, а для арсенида галлия — 1,43 эВ.
Как показано на рис. 2-13, в проводнике нет энергетического разрыва между валентной зоной и зоной проводимости. Фактически, эти зоны перекрываются, как показано красным цветом. У изолятора запрещённая зона (band gap) очень велика. Это означает, что очень трудно переместить валентный электрон в зону проводимости. Однако это возможно. Вот почему изоляторы могут пробиваться и проводить ток при очень высоких напряжениях.
Теперь взгляните на график для собственного (чистого) кремния. Запрещённая зона меньше, чем у изолятора, но всё ещё слишком велика для большинства применений. Наконец, посмотрите на легированный кремний. Электроны, предоставленные легирующим материалом (зелёный цвет), находятся чуть ниже зоны проводимости. Запрещённая зона для легированных полупроводников мала. Это важно для работы таких устройств, как диоды и солнечные элементы, которые будут рассмотрены в следующей главе.
В случае солнечного элемента (солнечной батареи), чтобы освободить электрон, энергия фотона (частицы света или квантовой единицы световой энергии) должна быть как минимум равна энергии запрещённой зоны. Фотоны с энергией, превышающей энергию запрещённой зоны, будут расходовать избыточную энергию в виде тепла. Поэтому важно оптимизировать солнечный элемент путём небольших изменений молекулярной структуры кремния. Ключом к созданию эффективного солнечного элемента является преобразование как можно большего количества солнечного света в электричество.
Энергия фотонов света варьируется в зависимости от длины волны света. Весь спектр солнечного света, от инфракрасного до ультрафиолетового, охватывает диапазон от примерно 0,5 эВ до примерно 2,9 эВ. Например, красный свет имеет энергию около 1,7 эВ, а синий свет — около 2,7 эВ. Большинство солнечных элементов не могут использовать около 55% энергии солнечного света, потому что эта энергия либо ниже запрещённой зоны материала, либо избыточна. В настоящее время наблюдается большой интерес к поиску новых полупроводниковых материалов для повышения эффективности и снижения стоимости солнечных элементов. Возможно создание многослойных элементов с разными запрещёнными зонами для повышения эффективности.
Алмаз может однажды сделать возможным создание устройств с чрезвычайно высоким напряжением и мощностью. Алмаз имеет запрещённую зону 5,5 эВ и отличную теплопроводность