Voir la source de Gap direct et gap indirect

En physique des [[semi-conducteur]]s, on appelle ''{{lang|en|gap}}'' la largeur de la [[bande interdite]], laquelle est l'intervalle d'énergies situé entre l'état de plus basse énergie de la [[bande de conduction]] et l'état de plus haute énergie de la [[bande de valence]]. On parle de '''gap direct''' lorsque ces deux extremums correspondent au même [[quasi-moment]]{{Note|group=alpha|texte=Le '''[[quasi-moment]]''' <math>\vec p</math> est associé par la relation <math>\vec p = \hbar\ \vec k</math> au [[vecteur d'onde]] <math>\vec k</math> des [[électron]]s dans la première [[zone de Brillouin]] du [[cristal]], où <math>\hbar</math> est la [[constante de Planck réduite]].}}, et de '''gap indirect''' lorsque la différence entre les vecteurs d'onde de ces deux extremums est non nulle. Les matériaux à gap direct et ceux à gap indirect se comportent très différemment du point de vue [[optoélectronique]] car les [[Porteur de charge|porteurs de charge]] des matériaux à gap direct peuvent passer d'une bande à l'autre en échangeant simplement un [[photon]], dont la quantité de mouvement est négligeable à ces niveaux d'énergie, tandis que les porteurs des matériaux à gap indirect doivent interagir à la fois avec un photon et avec un [[phonon]] afin de modifier leur vecteur d'onde, ce qui rend la transition bien moins probable. Un certain nombre de [[Semi-conducteur III-V|semi-conducteurs {{III}}-{{V}}]] sont à gap direct, comme l'[[arséniure de gallium]] GaAs et l'[[arséniure d'indium]] InAs, tandis que d'autres sont à gap indirect, comme l'[[antimoniure d'aluminium]] AlSb ; le [[silicium]] et le [[germanium]] sont également des semi-conducteurs à gap indirect.

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Fichier:Gap direct d'un semiconducteur.svg | {{Centrer|[[Semiconducteur]] à '''gap direct'''.}}
Fichier:Gap indirect d'un semiconducteur.svg | {{Centrer|[[Semiconducteur]] à '''gap indirect'''.}}
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== Application en optoélectronique ==

[[Fichier:Bulkbandstructure.gif|vignette|[[Théorie des bandes|Structure de bandes]] de [[matériau]]x [[semi-conducteur]]s calculés par la méthode de l'{{Lien|langue=en|trad=Tight binding|fr=approximation de la liaison forte}}.]]

Les interactions entre [[électron]]s, [[Trou d'électron|trous]], [[photon]]s et [[phonon]]s se font toujours à [[quasi-moment]] constant afin de conserver le [[vecteur d'onde]] total. La [[quantité de mouvement]] d'un photon d'énergie correspondant à la [[bande interdite]] d'un semiconducteur est négligeable par rapport à celle des porteurs et des phonons, de sorte que l'échange d'un photon avec un porteur modifie le niveau d'énergie de ce porteur mais ne modifie quasiment pas son vecteur d'onde. C'est la raison pour laquelle les matériaux semiconducteurs à gap direct sont privilégiés pour réaliser des [[Diode électroluminescente|diodes électroluminescentes]] et des [[Diode laser|diodes laser]] : la recombinaison radiative des électrons et des trous peut se faire à travers la bande interdite par simple émission de photons sans nécessiter d'interaction supplémentaire avec des phonons du [[réseau cristallin]], qui rendraient la transition bien moins probable ; la recombinaison radiative des porteurs est bien plus lente dans les matériaux semiconducteurs à gap indirect. 

L'absorption de photons par des semi-conducteurs est le processus réciproque de la recombinaison radiative. Des photons pourvus d'une énergie proche de celle de la bande interdite pénètrent plus profondément dans un semi-conducteur à gap indirect que dans un semi-conducteur à gap direct car leur absorption dans les premiers requiert l'intervention concomitante d'un phonon pourvu de la quantité de mouvement adéquate pour permettre la transition d'un électron de la [[bande de valence]] vers la [[bande de conduction]] avec un photon de cette énergie. Ceci a son importance pour la conception des [[Cellule photovoltaïque|cellules photovoltaïques]], souvent réalisées en [[silicium]] pour des raisons de coût, et dont l'épaisseur est nécessairement d'au moins plusieurs centaines de [[micromètre]]s afin d'absorber l'essentiel du rayonnement incident, notamment dans l'[[infrarouge]]. Les cellules photovoltaïques à [[Couche mince|couches minces]], en revanche, sont réalisées avec des semi-conducteurs à gap direct tels que le [[tellurure de cadmium]] CdTe<ref name="10.1063/1.1632532">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Iris Visoly-Fisher, Sidney R. Cohen et David Cahen
 | titre       = Electronically active layers and interfaces in polycrystalline devices: Cross-section mapping of CdS/CdTe solar cells
 | périodique  = Applied Physics Letters
 | volume      = 83
 | numéro      = 24
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 | consulté le = 16 avril 2017
 | doi         = 10.1063/1.1632532
 | pmid        = 
 | bibcode     = 2003ApPhL..83.4924V
}}</ref>{{,}}<ref name="10.1016/j.solener.2004.06.006">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Xuanzhi Wu
 | titre       = High-efficiency polycrystalline CdTe thin-film solar cells
 | périodique  = Solar Energy
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 | jour        = 
 | mois        = décembre
 | année       = 2004
 | pages       = 803-814
 | url texte   = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X04001434
 | consulté le = 16 avril 2017
 | doi         = 10.1016/j.solener.2004.06.006
 | pmid        = 
 | bibcode     = 2004SoEn...77..803W
}}</ref>, le [[CIGS (semiconducteur)|CIGS]]<ref name="10.1016/j.solener.2004.08.015">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = M. Kaelin, D. Rudmann et A. N. Tiwari1
 | titre       = Low cost processing of CIGS thin film solar cells
 | périodique  = Solar Energy
 | volume      = 77
 | numéro      = 6
 | jour        = 
 | mois        = décembre
 | année       = 2004
 | pages       = 749-756
 | url texte   = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X04002191
 | consulté le = 16 avril 2017
 | doi         = 10.1016/j.solener.2004.08.015
 | pmid        = 
 | bibcode     = 2004SoEn...77..749K
}}</ref>{{,}}<ref name="10.1016/S0927-0248(00)00291-9">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Y. Hagiwara, T. Nakada et A. Kunioka
 | titre       = Improved ''J''{{ind|sc}} in CIGS thin film solar cells using a transparent conducting ZnO:B window layer
 | périodique  = Solar Energy Materials and Solar Cells
 | volume      = 67
 | numéro      = 1-4
 | jour        = 
 | mois        = mars
 | année       = 2001
 | pages       = 267-271
 | url texte   = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024800002919
 | consulté le = 16 avril 2017
 | doi         = 10.1016/S0927-0248(00)00291-9
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}}</ref> {{fchim|CuIn|''x''|Ga|1-''x''|Se|2}} et le [[CZTS]]<ref name="10.1016/S0927-0248(00)00088-X">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Hironori Katagiri, Kotoe Saitoh, Tsukasa Washio, Hiroyuki Shinohara, Tomomi Kurumadani et Shinsuke Miyajima
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 | périodique  = Solar Energy Materials and Solar Cells
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 | mois        = janvier
 | année       = 2001
 | pages       = 141-148
 | url texte   = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092702480000088X
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 | doi         = 10.1016/S0927-0248(00)00088-X
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{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Hironori Katagiri, Kazuo Jimbo, Win Shwe Maw, Koichiro Oishi, Makoto Yamazaki, Hideaki Araki et Akiko Takeuchi
 | titre       = Development of CZTS-based thin film solar cells
 | périodique  = Thin Solid Films
 | volume      = 517
 | numéro      = 7
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 | mois        = février
 | année       = 2009
 | pages       = 2455-2460
 | url texte   = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609008013953
 | consulté le = 16 avril 2017
 | doi         = 10.1016/j.tsf.2008.11.002
 | pmid        = 
 | bibcode     = 2009TSF...517.2455K
}}</ref> {{fchim|Cu|2|ZnSnS|4}}, qui permettent de concevoir des composants avec des couches actives de moins d'un micromètre d'épaisseur.

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|group=alpha}}
=== Références ===
{{Références}}

{{Portail|matériaux}}

[[Catégorie:Semi-conducteur]]
[[Catégorie:Opto-électronique]]