ในฟิสิกส์และเคมีของของแข็ง ช่องว่างแถบพลังงาน ( band gap) หรือที่เรียกว่าช่องว่างพลังงาน (energy gap ) คือช่วงพลังงานในของแข็งที่ไม่มีสถานะอิเล็กตรอนอยู่ ในกราฟโครงสร้างแถบอิเล็กตรอนของของแข็ง ช่องว่างแถบพลังงานหมายถึงความแตกต่างของพลังงาน (มักแสดงในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ ) ระหว่างด้านบนของแถบวาเลนซ์ (valence band ) และด้านล่างของแถบนำไฟฟ้า (conduction band ) ในฉนวนและสารกึ่งตัวนำมันคือพลังงานที่จำเป็นในการกระตุ้นอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนในแถบนำไฟฟ้าที่เกิดขึ้น (และโฮลอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์) สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในโครงผลึกและทำหน้าที่เป็นตัวนำประจุเพื่อนำกระแสไฟฟ้ามันมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับช่องว่าง HOMO–LUMOในทางเคมี หากแถบวาเลนซ์เต็มอย่างสมบูรณ์และแถบนำไฟฟ้าว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์ อิเล็กตรอนจะไม่สามารถเคลื่อนที่ภายในของแข็งได้เนื่องจากไม่มีสถานะที่พร้อมใช้งาน หากอิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในโครงผลึก ก็จะไม่มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเนื่องจากไม่มีความคล่องตัวของตัวนำประจุสุทธิ อย่างไรก็ตาม หากอิเล็กตรอนบางส่วนถ่ายโอนจากแถบวาเลนซ์ (ส่วนใหญ่เต็ม) ไปยังแถบนำไฟฟ้า (ส่วนใหญ่ว่าง) กระแสไฟฟ้าก็จะไหลได้ (ดูการสร้างและการรวมตัวของพาหะ ) ดังนั้น ช่องว่างพลังงานจึงเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดการนำไฟฟ้าของของแข็ง สารที่มีช่องว่างพลังงานขนาดใหญ่ (เรียกอีกอย่างว่า "ช่องว่างพลังงานกว้าง") โดยทั่วไปจะเป็นฉนวน สารที่มีช่องว่างพลังงานขนาดเล็ก (เรียกอีกอย่างว่า "ช่องว่างพลังงานแคบ") จะเป็นสารกึ่งตัวนำและตัวนำจะมีช่องว่างพลังงานขนาดเล็กมากหรือไม่มีเลย เนื่องจากแถบวาเลนซ์และแถบนำไฟฟ้าทับซ้อนกันเพื่อสร้างแถบต่อเนื่อง

เป็นไปได้ที่จะสร้างการเปลี่ยนสถานะจากฉนวนเป็นโลหะที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ ซึ่งได้รับการสังเกตจากการทดลองแล้วในระบบสสารควบแน่นบางระบบ เช่น ฟิล์มบางของ^{C 60 [} 1 _]แมง^กาไน ท์ที่เจือปน^{[ 2 ]}หรือในวาเนเดียมเซสควิออกไซด์V ₂ O ₃ ^{[ 3} ] สิ่งเหล่านี้เป็นกรณีพิเศษของปรากฏการณ์การเปลี่ยนสถานะ ^จากโลหะเป็นอโลหะทั่วไป ซึ่งได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา^{[ 4 ]}แบบจำลองเชิงวิเคราะห์หนึ่งมิติของการบิดเบือนโครงสร้างแถบที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ได้รับการนำเสนอสำหรับศักยภาพแบบคาบเชิงพื้นที่ (โคไซน์) ปัญหานี้เป็นคาบทั้งในอวกาศและเวลา และสามารถแก้ไขได้ในเชิงวิเคราะห์โดยใช้กรอบร่วมเคลื่อนที่ Kramers-Henneberger คำตอบสามารถให้ได้โดยใช้ฟังก์ชัน Mathieu ^{[ 5 ]}

ของแข็งทุกชนิดมี โครงสร้างแถบพลังงานเฉพาะตัวการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างแถบนี้เป็นสาเหตุของลักษณะทางไฟฟ้าที่หลากหลายที่พบในวัสดุต่างๆ โครงสร้างแถบและสเปกโทรสโกปีอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับมิติ มิติประเภทต่างๆ ได้แก่ มิติเดียว สองมิติ และสามมิติ^{[ 6 ]}

ในสารกึ่งตัวนำและฉนวนอิเล็กตรอน จะถูกจำกัดอยู่ใน แถบ พลังงาน จำนวนหนึ่งและถูกห้ามไม่ให้เข้าไปในบริเวณอื่น เนื่องจากไม่มีสถานะอิเล็กตรอนที่อนุญาตให้พวกมันเข้าไปได้ คำว่า "ช่องว่างแถบพลังงาน" หมายถึงความแตกต่างของพลังงานระหว่างส่วนบนของแถบวาเลนซ์และส่วนล่างของแถบนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนสามารถกระโดดจากแถบหนึ่งไปยังอีกแถบหนึ่งได้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ถูกเลื่อนขึ้นไปยังแถบนำไฟฟ้า มันต้องใช้พลังงานขั้นต่ำที่เฉพาะเจาะจงสำหรับการเปลี่ยนผ่าน พลังงานที่ต้องการนี้เป็น ลักษณะ เฉพาะของวัสดุที่เป็นของแข็ง อิเล็กตรอนสามารถได้รับพลังงานเพียงพอที่จะกระโดดไปยังแถบนำไฟฟ้าได้โดยการดูดซับโฟนอน (ความร้อน) หรือโฟตอน (แสง)

สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานขนาดกลางที่ไม่เป็นศูนย์ ซึ่งมีพฤติกรรมเป็นฉนวนที่อุณหภูมิ T=0K แต่จะยอมให้ความร้อนกระตุ้นอิเล็กตรอนเข้าสู่แถบนำไฟฟ้าได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ในทางตรงกันข้าม วัสดุที่มีช่องว่างพลังงานขนาดใหญ่จะเป็นฉนวนในตัวนำแถบวาเลนซ์และแถบนำไฟฟ้าอาจทับซ้อนกัน ดังนั้นจึงไม่มีช่องว่างพลังงานที่มีบริเวณต้องห้ามของสถานะอิเล็กตรอนอีกต่อไป

ค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ขึ้นอยู่กับช่องว่างพลังงานอย่างมาก ตัวนำประจุที่พร้อมสำหรับการนำไฟฟ้ามีเพียงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานความร้อนเพียงพอที่จะถูกกระตุ้นข้ามช่องว่างพลังงาน และโฮลอิเล็กตรอนที่เหลืออยู่เมื่อเกิดการกระตุ้นดังกล่าว

การปรับแต่งช่องว่างพลังงาน (Band-gap engineering) คือกระบวนการควบคุมหรือเปลี่ยนแปลงช่องว่างพลังงานของวัสดุโดยการควบคุมองค์ประกอบของโลหะ ผสมเซมิคอนดักเตอร์บางชนิด เช่นGaAlAs , InGaAsและInAlAsนอกจากนี้ยังสามารถสร้างวัสดุแบบชั้นที่มีองค์ประกอบสลับกันได้ด้วยเทคนิคต่างๆ เช่น การปลูกผลึกด้วยลำแสง โมเลกุล ( molecular-beam epitaxy ) วิธีการเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในการออกแบบทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เฮเทอ โรจังก์ชัน (HBTs) ไดโอดเลเซอร์และเซลล์ แสงอาทิตย์

ความแตกต่างระหว่างสารกึ่งตัวนำและฉนวนเป็นเรื่องของข้อตกลง วิธีหนึ่งคือการคิดว่าสารกึ่งตัวนำเป็นฉนวนประเภทหนึ่งที่มีช่องว่างแถบพลังงานแคบ ฉนวนที่มีช่องว่างแถบพลังงานที่ใหญ่กว่า ซึ่งโดยทั่วไปมากกว่า 4 eV ^{[ 7 ]}ไม่ถือว่าเป็นสารกึ่งตัวนำและโดยทั่วไปจะไม่แสดงพฤติกรรมกึ่งตัวนำภายใต้เงื่อนไขการใช้งานจริงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนยังมีบทบาทในการกำหนดการจัดประเภทอย่างไม่เป็นทางการของวัสดุด้วย

พลังงานช่องว่างแถบของสารกึ่งตัวนำมีแนวโน้มลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น แอมพลิจูดของการสั่นของอะตอมจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระยะห่างระหว่างอะตอมมากขึ้น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟนอน ของแลตติส และอิเล็กตรอนและโฮลอิสระจะส่งผลต่อช่องว่างแถบในระดับที่น้อยกว่า^{[ 8 ]}ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานช่องว่างแถบและอุณหภูมิสามารถอธิบายได้ด้วยการแสดงออกเชิงประจักษ์ของVarshni (ตั้งชื่อตาม YP Varshni )

${\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}}$โดยที่E _g (0), α และ β เป็นค่าคงที่ของวัสดุ^{[ 9 ]}

นอกจากนี้ การสั่นสะเทือนของแลตติสจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ซึ่งจะเพิ่มผลกระทบของการกระเจิงของอิเล็กตรอน ยิ่งไปกว่านั้น จำนวนตัวนำประจุภายในเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้น เนื่องจากตัวนำจำนวนมากขึ้นมีพลังงานที่จำเป็นในการข้ามเกณฑ์ช่องว่างแถบพลังงาน ดังนั้นค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จึงเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นด้วย^{[ 10 ]}แรงดันภายนอกยังมีอิทธิพลต่อโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์ และด้วยเหตุนี้จึงมีผลต่อช่องว่างแถบแสงของพวกมันด้วย^{[ 11 ]}

ในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ช่องว่างแถบพลังงานจะคงที่เนื่องจากสถานะพลังงานต่อเนื่อง ใน ผลึก ควอนตัมดอต สถานะพลังงานจะถูกทำให้เป็นแบบไม่ต่อเนื่องเนื่องจากผลของการกักขังควอนตัมสถานะพลังงานในแถบนำไฟฟ้าจะถูกผลักขึ้นไปด้านบน ในขณะที่สถานะพลังงานในแถบวาเลนซ์จะถูกผลักลงไปด้านล่าง ทำให้ช่องว่างแถบพลังงานที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดของดอตลดลง^{[ 12 ]}

ช่องว่างของแถบพลังงานอาจเป็นแบบตรงหรือแบบอ้อม ขึ้นอยู่กับโครงสร้างแถบอิเล็กตรอนของวัสดุ^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}

ก่อนหน้านี้ได้กล่าวถึงว่ามิติต่างๆ มีโครงสร้างแถบและสเปกโทรสโกปีที่แตกต่างกัน สำหรับของแข็งที่ไม่ใช่โลหะซึ่งมีมิติเดียว จะมีคุณสมบัติทางแสงที่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนระหว่างแถบวาเลนซ์และแถบนำไฟฟ้า นอกจากนี้ ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนผ่านทางสเปกโทรสโกปีจะอยู่ระหว่างวงโคจรเริ่มต้นและวงโคจรสุดท้าย และขึ้นอยู่กับอินทิกรัล^{[ 6 ]} φ _iคือวงโคจรเริ่มต้น φ _fคือวงโคจรสุดท้าย ʃ φ _f ^* ûεφ _iคืออินทิกรัล ε คือเวกเตอร์ไฟฟ้า และ u คือโมเมนต์ไดโพล^{[ 6 ]}

โครงสร้างสองมิติของของแข็งมีพฤติกรรมเนื่องจากการทับซ้อนกันของออร์บิทัลอะตอม^{[ 6 ]}ผลึกสองมิติที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกันเรียงตัวกันบนโครงตาข่ายสี่เหลี่ยม^{[ 6 ]}การแยกพลังงานเกิดขึ้นที่ขอบโซนบริลลูอินสำหรับสถานการณ์หนึ่งมิติเนื่องจากศักยภาพแบบคาบที่อ่อนแอ ซึ่งทำให้เกิดช่องว่างระหว่างแถบ พฤติกรรมของสถานการณ์หนึ่งมิติจะไม่เกิดขึ้นในกรณีสองมิติเนื่องจากมีอิสระในการเคลื่อนที่เพิ่มเติม นอกจากนี้ ช่องว่างแถบสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยศักยภาพแบบคาบที่แข็งแกร่งสำหรับกรณีสองมิติและสามมิติ^{[ 6 ]}

โดยพิจารณาจากโครงสร้างแถบพลังงาน วัสดุจะถูกจำแนกเป็นช่องว่างแถบพลังงานโดยตรงหรือช่องว่างแถบพลังงานโดยอ้อม ในแบบจำลองอิเล็กตรอนอิสระ k คือโมเมนตัมของอิเล็กตรอนอิสระและมีค่าเฉพาะภายในโซนบริลลูอินซึ่งกำหนดความเป็นคาบของโครงสร้างผลึก หากโมเมนตัมของสถานะพลังงานต่ำสุดในแถบนำไฟฟ้าและสถานะพลังงานสูงสุดของแถบวาเลนซ์ของวัสดุมีค่าเท่ากัน วัสดุนั้นจะมีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรง หากไม่เท่ากัน วัสดุนั้นจะมีช่องว่างแถบพลังงานโดยอ้อม และการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนจะต้องมีการถ่ายโอนโมเมนตัมเพื่อให้เป็นไปตามการอนุรักษ์ การเปลี่ยนผ่านโดยอ้อมที่ "ต้องห้าม" ดังกล่าวยังคงเกิดขึ้นได้ แต่มีความน่าจะเป็นต่ำมากและพลังงานต่ำกว่า^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}สำหรับวัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรง อิเล็กตรอนวาเลนซ์สามารถถูกกระตุ้นโดยตรงไปยังแถบนำไฟฟ้าโดยโฟตอนที่มีพลังงานมากกว่าช่องว่างแถบพลังงาน ในทางตรงกันข้าม สำหรับวัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานทางอ้อม โฟตอนและโฟนอนจะต้องเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนผ่านจากด้านบนของแถบวาเลนซ์ไปยังด้านล่างของแถบนำไฟฟ้า ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมดังนั้น วัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรงจึงมักมีคุณสมบัติการเปล่งแสงและการดูดซับแสงที่แข็งแกร่งกว่า และมักจะเหมาะสมกว่าสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ (PVs) ไดโอดเปล่งแสง (LEDs) และไดโอดเลเซอร์^{[ 16 ]}อย่างไรก็ตาม วัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานทางอ้อมมักถูกใช้ใน PVs และ LEDs เมื่อวัสดุมีคุณสมบัติที่เอื้ออำนวยอื่นๆ

โดยทั่วไป LED และไดโอดเลเซอร์จะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานใกล้เคียงและมากกว่าช่องว่างแถบพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ทำเล็กน้อย ดังนั้น เมื่อพลังงานช่องว่างแถบพลังงานเพิ่มขึ้น สีของ LED หรือเลเซอร์จะเปลี่ยนจากอินฟราเรดเป็นสีแดง ผ่านสีรุ้งไปเป็นสีม่วง แล้วไปเป็น UV ^{[ 17 ]}

ช่องว่างแถบแสงกำหนดว่าเซลล์แสงอาทิตย์จะดูดซับ สเปกตรัมแสงอาทิตย์ส่วนใด ^{[ 18 ]}ตามหลักแล้ว สารกึ่งตัวนำจะไม่ดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานน้อยกว่าช่องว่างแถบ ในขณะที่โฟตอนส่วนใหญ่ที่มีพลังงานเกินช่องว่างแถบจะสร้างความร้อน ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์

ด้านล่างนี้คือค่าช่องว่างพลังงานสำหรับวัสดุที่เลือกบางชนิด^{[ 19 ]}สำหรับรายการช่องว่างพลังงานในสารกึ่งตัวนำทั้งหมด โปรดดูที่ รายการวัสดุสารกึ่งตัวนำ

เป็นไปได้ที่โฟตอนที่ถูกดูดกลืนจะมีพลังงานเพียงพอที่จะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่ยึดเหนี่ยวกัน ( เอ็กซิตอน ) แต่มีพลังงานไม่เพียงพอที่จะแยกทั้งสองออกจากกันโดยอาศัยแรงดึงดูดทางไฟฟ้าซึ่งกันและกัน พลังงานแบบแรกเรียกว่า "ช่องว่างแถบพลังงานเชิงแสง" ในขณะที่พลังงานที่จะสร้างคู่ที่ไม่ยึดเหนี่ยวกันเพื่อให้กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ไหลได้เรียกว่า "ช่องว่างแถบพลังงานเชิงอิเล็กตรอน" หรือ "ช่องว่างการขนส่ง" และมีค่ามากกว่าพลังงานแบบแรกเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยวของเอ็กซิตอน

ในสารกึ่งตัวนำอนินทรีย์เกือบทั้งหมด (เช่น ซิลิคอน แกลเลียมอาร์เซไนด์ เป็นต้น) มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลน้อยมาก ดังนั้นพลังงานยึดเหนี่ยวของเอ็กซิตอนจึงต่ำมาก และโดยทั่วไปแล้วความแตกต่างระหว่างช่องว่างทั้งสองมักถูกละเลย อย่างไรก็ตาม ในบางระบบ เช่นสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ และ ท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวความแตกต่างนี้อาจมีความสำคัญอย่างมาก

ในโฟโตนิกส์ช่องว่างแถบหรือแถบหยุดคือช่วงความถี่ของโฟตอนที่หากไม่คำนึงถึงผลกระทบของการทะลุผ่าน โฟตอนจะไม่สามารถส่งผ่านวัสดุได้ วัสดุที่แสดงพฤติกรรมนี้เรียกว่าผลึกโฟตอนิกแนวคิดของไฮเปอร์ยูนิฟอร์มลิตี้^{[ 27 ]}ได้ขยายขอบเขตของวัสดุช่องว่างแถบโฟตอนิกให้กว้างขึ้น นอกเหนือจากผลึกโฟตอนิก โดยการประยุกต์ใช้เทคนิคในกลศาสตร์ควอนตัมแบบซูเปอร์สมมาตร ได้มีการเสนอวัสดุที่ไม่เป็นระเบียบทางแสงประเภทใหม่^{[ 28 ]}ซึ่งรองรับช่องว่างแถบที่เทียบเท่ากับช่องว่างแถบของผลึกหรือควาซิผลึกได้ อย่างสมบูรณ์

ฟิสิกส์ที่คล้ายกันนี้ใช้กับโฟนอนในผลึกโฟโนนิก^{[ 29 ]}

• สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานกว้าง
• การดัดแถบ
• ความหนาแน่นสเปกตรัม
• ช่องว่างเทียม
• พล็อตเทาค์
• ผลกระทบของมอสส์-เบอร์สไตน์
• พลังงานเออร์บัค

• เครื่องคำนวณพลังงานช่องว่างแถบโดยตรง
• โมริอาร์ตี, ฟิลิป. "ช่องว่างพลังงาน (และอะไรทำให้กระจกโปร่งใส?)" . หกสิบสัญลักษณ์ . เบรดี ฮารานสำหรับมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม .