info@kosartech.com
مولف: علی کوثری مهر
همپوشانی مدارهای الکترونیکی اتم‌های یک جامد نوارهایی با شکل غیر منظم در فضای انرژی-تکانه تشکیل می‌دهد. این نوارها ترازهای انرژی اشغال‌پذیر توسط الکترون در جامد را نشان می‌دهند. به بالاترین نواری (از نظر انرژی) که توسط الکترون‌ها اشغال شده است، نوار ظرفیت یا ولنس گفته می‌شود و به پایین‌ترین نواری که خالی از الکترون است، نوار رسانش یا کانداکشن گفته می شود. برعکس فلزات که در آن‌ها یا بخشی از نوار ظرفیت خالی است یا دو نوار بالایی با همدیگر همپوشانی دارند، در مواد نیمه‌رسانا و دی الکتریک بین نوارهای ظرفیت و رسانش فاصله‌ای غیر مجاز وجود دارد که به آن گاف انرژی گفته می‌شود. گاف انرژی فاصله‌ی بین پایین‌ترین قسمت نوار غیر یکنواخت رسانش و بالاترین قسمت نوار غیریکنواخت ظرفیت در محور انرژی است که به آن گاف انرژی الکتریکی نیز گفته می‌شود. در مواد دی الکتریک گاف انرژی به اندازه‌ای بزرگ است که نوار ظرفیت کاملا از الکترون پر شده است و نوار رسانش کاملا خالی از الکترون است در حالیکه در مواد نیمه رسانا گاف انرژی به اندازه‌ای است که برخی الکترون‌های حرارتی می‌توانند از نوار ظرفیت به نوار رسانش بروند.
گاف‌های انرژی به دو دسته‌ی مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می‌شوند. اگر پایین‌ترین قسمت نوار رسانش درست در مقابل بالاترین قسمت نوار ظرفیت در تکانه‌ای یکسان قرار بگیرد، گاف انرژی مستقیم خواهیم داشت. در غیر اینصورت با گاف انرژی غیرمستقیم روبرو هستیم. گاف‌های انرژی غیر مستقیم تنها به صورت ضعیف با نور و فوتون‌های نور برهمکنش می‌کنند زیرا گذار یک الکترون از بالاترین قسمت نوار ظرفیت به پایین‌ترین قسمت نوار رسانش نمی‌تواند تنها با فوتونی با انرژی برابر با گاف انرژی انجام گردد و این گذار نیازمند فونون‌ها (موج‌های کوانتیزه شده‌ی صوتی نشات گرفته از ارتعاشات ذرات ماده) برای تغییر تکانه‌ی الکترون است.
گاف انرژی نوری یا اپتیکی نشانگر آستانه انرژی فوتون‌هایی است که در مواد نیمه‌رسانا جذب می‌شوند. فوتون‌هایی با این آستانه انرژی موجب به وجود آمدن الکترون‌هایی در نوار رسانش و حفره‌هایی در نوار ظرفیت می‌شوند که توسط نیروهای کولنی به یکدیگر مقید هستند و بنابراین انرژی این زوج‌ها کمتر از حالت غیر مقید آن‌هاست (برای اطلاعات بیشتر به مفهوم اکسایتون رجوع شود). ازینرو بازترکیب آن‌ها انرژی کمتری از گاف انرژی الکترونیکی آزاد می‌کند که در آن تقید کولنی الکترون-حفره در نظر گرفته نشده است (معمولا میزان تفاوت مابین 200 تا 400 میلی الکترون ولت است).
طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی ابزاری است که توسط آن ماده‌ی آزمون توسط فوتون‌هایی با طیفی در بازه‌ی فرابنفش تا مرئی تحت تابش قرار می‌گیرد و کمیت‌های ابزوربنس (منفی لگاریتم ترنزمیتنس) و رفلکتنس را در این طیف نوری بدست می‌دهد. ترنزمیتنس کسری از توان الکترومغناطیسی فرودی است که از ماده‌ی آزمون عبور می‌کند. رفلکتنس کسری از توان الکترومغناطیسی فرودی است که در مرز ماده‌ی آزمون بازتاب می‌شود. در لایه‌های نازک، ضریب جذب (α) می‌تواند توسط فرمول ذیل از ضخامت لایه‌ی نازک (d)، ترنزمیتنس (T) و رفلکتنس (R) محاسبه گردد:
α=(1/d)ln[[(1-R2)/(2T)]+[(1-R)4/(4T2)]1/2+R2] (1)
همچنین گاف انرژی نوری می‌تواند توسط فرمول ذیل محاسبه شود:
αhν=A(hν-Egopt)r (2)
که در آن h، ν، A و Egopt به ترتیب ثابت پلانک، فرکانس، پارامتری مربوط به احتمال گذار و گاف انرژی نوری هستند. همچنین r عددی است که نشانگر فرآیند گذار است (r=1/2 برای گذار مستقیم مجاز و r=2 برای گذار غیرمستقیم مجاز). برای مشخص کردن مقدار عدد r (یا ماهیت مستقیم بودن و غیرمستقیم بودن گاف انرژی)، نمودار (αhν)1/r را بر حسب (hν) توسط فرمول 1 ترسیم می‌کنیم (نمودار تاک). سپس بررسی می‌کنیم که کدام مقدار r در فرمول 2 بهترین تطبیق را با نمودار بدست آمده از نمودار فرمول 1 دارد. بدین ترتیب مقدار r مشخص می‌شود. با بدست آمدن مقدار r، گاف انرژی نوری می‌تواند توسط نمودار تاک در α=0 جایی که نمودار بایستی رفتار خطی داشته باشد، محاسبه شود.
