گاف انرژی مستقیم و غیرمستقیم

نیمه‌رساناها به دو دستۀ کلی تقسیم می‌شوند؛ نیمه‌رسانای با کافِ نواریِ مستقیم (Direct Band Gap) و کافِ نواریِ نامستقیم (Indirect Band Gap). واژۀ «کاف» در زبان فارسی به معنی «شکاف» است،[1] که در اینجا به اشتباه «گاف» گفته شده‌است.

در نیمه‌رسانای با کاف مستقیم، بیشینۀ نوارِ ظرفیت (Valence Band) و کمینۀ نوارِ هدایت (Conduction Band) در تِکانۀ بلوری (Crystal Momentum) یکسانی رخ می‌دهند (شکل‌های زیر را ببینید، شکل دوم). درحالی‌که در نیمه‌رسانای با کاف نامستقیم تکانۀ بلوریِ (k) بیشینۀ نوار ظرفیت با تکانۀ بلوریِ کمینۀ نوار هدایت تفاوت دارد (شکل اول).

نمودار انرژی بر حسب تکانۀ کریستال؛ این نیمه‌رسانا کاف نواری نامستقیم دارد.

نمودار انرژی بر حسب تکانۀ کریستال؛ این نیمه‌رسانا کاف نواری مستقیم دارد.

از جمله نیمه‌رساناهای با کاف نامستقیم، سیلیسیوم (Silicon) است. آرسِنید گالیُم (Gallium Arsenide)، مثالی از نیمه‌هادی با کاف مستقیم است.[2]

در کاف نواری نامستقیم، وقتی الکترون از نوار هدایت به نوار ظرفیت منتقل می‌شود، دچار تغییر تکانه (اندازه‌حرکت) نیز می‌شود (k تغییر می‌کند) و به‌جای‌اینکه انرژی به‌صورت فوتون (Photon) منتشر شود عموماً به صورت فونون (Phonon) به کریستال برمی‌گردد (به صورت گرما تلف می‌شود). فونون، کوانتای انرژی گرمایی است، مانند فوتون که کوانتای انرژی الکترومغناطیسی است.

مثال خوبی از این موضوع، تفاوت دیود معمولی (Diode) و دیود نورافشان (Light Emitting Diode, LED) است؛ در ساخت دیود معمولی از نیمه‌هادی با کاف نامستقیم مانند سیلیکون استفاده می‌شود، درحالی‌که دیود نورافشان از نیمه‌هادی با کاف مستقیم (مانند آرسِنید گالیُم) ساخته می‌شود، و به همین دلیل با عبور جریان، از خود نور ساطع می‌کند.