Bandgap: de energiekloof die bepaalt hoe halfgeleiders werken

Bijgewerkt: 8 oktober 2026 · 7 min leestijd

Een bandgap is een eigenschap van materialen die bepaalt hoe goed ze elektriciteit geleiden, licht opvangen of licht uitzenden. Het is de energiesprong die een elektron moet maken om van een "gebonden" toestand naar een "vrije" toestand te komen waarin het kan meebewegen en stroom kan geleiden. Hoe groot die sprong is, verschilt per materiaal en dat verschil verklaart waarom silicium in computerchips zit, waarom LED's in allerlei kleuren bestaan en waarom sommige zonnepanelen efficiënter zijn dan andere.

Een handige analogie is een parkeergarage met twee verdiepingen die niet direct op elkaar aansluiten: beneden staan de auto's geparkeerd (de valentieband, waar elektronen normaal gesproken vastzitten aan atomen) en boven is een lege verdieping waar auto's vrij kunnen rondrijden (de conductieband, waar elektronen vrij door het materiaal kunnen bewegen en dus stroom geleiden). Tussen die twee verdiepingen gaapt een kloof zonder trap: een auto (elektron) moet een flinke sprong maken om van beneden naar boven te komen. Die sprong kost energie, en precies die hoeveelheid energie noemen we de bandgap.

Wat is het precies?

In een vaste stof bewegen elektronen niet vrij rond zoals in een gas, maar bezetten ze specifieke energieniveaus die samen "banden" vormen. De valentieband is de hoogste band die bij lage temperatuur vol elektronen zit; de conductieband is de band daarboven, waar elektronen zich vrij kunnen verplaatsen en dus elektrische stroom kunnen dragen. De bandgap is het energieverschil tussen de top van de valentieband en de bodem van de conductieband.

Deze energie wordt meestal uitgedrukt in elektronvolt (eV), een eenheid die aangeeft hoeveel energie een elektron krijgt als het één volt aan spanning doorloopt. Metalen hebben geen bandgap: hun banden overlappen, waardoor elektronen altijd vrij kunnen bewegen en metalen dus goed geleiden. Isolatoren hebben een hele grote bandgap (vaak boven 5 eV), waardoor elektronen er bij kamertemperatuur nauwelijks overheen springen. Halfgeleiders zitten daar tussenin, met bandgaps die ruwweg tussen 0,5 en 3,5 eV liggen.

Er bestaat ook een onderscheid tussen een directe en een indirecte bandgap. Bij een direct-bandgap-materiaal kan een elektron de sprong maken zonder dat het ook van "rijrichting" (bewegingsrichting, technisch: impulsmoment) moet veranderen, wat het makkelijk maakt om licht efficiënt uit te zenden of te absorberen. Bij een indirecte bandgap is daar een extra tussenstap voor nodig, wat het proces minder efficiënt maakt. Dit verklaart waarom galliumnitride (GaN, bandgap ongeveer 3,4 eV) en galliumarsenide prima materialen zijn voor LED's en lasers, terwijl silicium (bandgap ongeveer 1,1 eV) een indirecte bandgap heeft en daardoor een slechte lichtbron is, ook al is het een uitstekend materiaal voor chips en zonnecellen.

De grootte van de bandgap bepaalt ook welke golflengte licht een materiaal kan absorberen of uitzenden: grotere bandgaps corresponderen met hogere-energie (blauwere) fotonen, kleinere bandgaps met lagere-energie (roodere of infrarode) fotonen. Grafeen, een laag koolstofatomen van één atoom dik, is een bijzonder geval: het heeft in zijn pure vorm helemaal geen bandgap, wat het een uitstekende geleider maakt maar tegelijk ongeschikt voor gewone transistors, die juist een schakelbare aan/uit-toestand nodig hebben.

Wat wil men ermee bereiken?

Omdat de bandgap bepaalt welk deel van het lichtspectrum een materiaal benut, zoeken onderzoekers naar manieren om die waarde gericht te kiezen of te combineren. Dat heet bandgap engineering. Een zonnecel van één materiaal kan nooit het hele zonnespectrum optimaal benutten, omdat fotonen met te weinig energie helemaal niet worden opgevangen en fotonen met te veel energie hun overschot als warmte verliezen. Door meerdere lagen met verschillende bandgaps op elkaar te stapelen (tandemcellen), kan elke laag een ander deel van het spectrum afvangen en wordt de totale efficiëntie hoger dan met één materiaal alleen mogelijk is.

In de elektronica wil men bandgaps gebruiken om chips zuiniger en sneller te maken, en om vermogenselektronica (de schakelingen die stroom omzetten, bijvoorbeeld in opladers, omvormers en elektromotoren) geschikt te maken voor hogere spanningen, hogere temperaturen en hogere frequenties. Materialen met een grotere bandgap dan silicium, de zogeheten wide-bandgap-materialen zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), kunnen dat beter aan en verliezen daarbij minder energie als warmte.

Bij beeldschermen en verlichting wil men juist heel precies de kleur van uitgezonden licht kunnen afstemmen. Quantumdots zijn nanokristallen van halfgeleidermateriaal waarbij de bandgap, en dus de kleur van het licht, niet alleen van het materiaal maar ook van de grootte van het deeltje afhangt: kleinere deeltjes geven een grotere bandgap en dus blauwer licht, grotere deeltjes een kleinere bandgap en roder licht. Dat maakt het mogelijk om met één materiaal toch een heel kleurenpalet te bestrijken.

Voorbeelden uit de praktijk

Een bekend voorbeeld is de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2014, toegekend aan Isamu Akasaki, Hiroshi Amano en Shuji Nakamura voor de ontwikkeling van de blauwe lichtgevende diode (LED) op basis van galliumnitride, een wide-bandgap-materiaal. Blauwe LED's waren nodig om, samen met rode en groene LED's of met fosforlagen, efficiënt wit licht te kunnen maken, wat de weg vrijmaakte voor de energiezuinige ledverlichting die nu overal te vinden is.

In de zonne-energie werkt het Britse bedrijf Oxford PV al jaren aan tandemzonnecellen die een laag perovskiet (een kristalstructuur met een afstembare bandgap) combineren met een onderliggende laag silicium. Rond 2023 en 2024 claimde het bedrijf meermaals nieuwe, onafhankelijk gecertificeerde efficiëntierecords voor dit type cel, met rendementen boven de 28 procent, hoger dan wat met silicium alleen praktisch haalbaar is.

In de ruimtevaart worden al decennialang drievoudige (triple-junction) zonnecellen gebruikt, opgebouwd uit lagen galliumindiumfosfide, galliumarsenide en germanium, elk met een eigen bandgap die is afgestemd op een ander deel van het zonnespectrum. Dit soort cellen drijft onder meer satellieten en de Mars-rovers van NASA aan, waar gewicht en betrouwbaarheid zwaarder wegen dan kostprijs.

In de auto-industrie leverde STMicroelectronics vanaf 2018 siliciumcarbide-chips (SiC, een wide-bandgap-materiaal) voor de hoofdinverter van de Tesla Model 3, de schakeling die de gelijkstroom van de accu omzet naar wisselstroom voor de elektromotor. SiC-schakelingen verliezen daarbij minder energie als warmte dan de klassieke silicium-varianten, wat bijdraagt aan een grotere actieradius.

Bij beeldschermen gebruiken fabrikanten als Samsung al sinds halverwege de jaren 2010 quantumdots in hun QLED-televisies om een breder en zuiverder kleurbereik te bereiken dan met traditionele lcd-achtergrondverlichting mogelijk is, door de bandgap van de nanodeeltjes via hun grootte af te stemmen op de gewenste kleur.

Hoe ver is de techniek?

De volwassenheid van bandgap-gerelateerde technologie loopt sterk uiteen per toepassing. Klassieke silicium-elektronica en silicium-zonnecellen zijn volledig uitontwikkeld en vormen al decennia de industriestandaard; hier is weinig fundamentele onzekerheid meer, vooral nog optimalisatie van productieprocessen en kosten.

Wide-bandgap vermogenselektronica met SiC en GaN is inmiddels commercieel volwassen en wordt breed toegepast in elektrische auto's, snelladers en datacenters, maar de chips zijn nog altijd duurder om te produceren dan hun silicium-equivalenten, wat de bredere adoptie vertraagt.

Perovskiet- en perovskiet-tandemzonnecellen zijn veelbelovend qua rendement, maar kampen nog met een hardnekkig probleem: de materialen degraderen sneller onder invloed van vocht, hitte en licht dan silicium, waardoor de levensduur nog niet overtuigend is aangetoond op de schaal van de 20 tot 25 jaar die men van gewone zonnepanelen verwacht. Opschaling van laboratoriumresultaten naar betaalbare massaproductie is een tweede, nog niet volledig opgeloste horde.

Quantumdot-displays zijn al jaren commercieel verkrijgbaar, maar de deeltjes met de beste optische eigenschappen bevatten vaak cadmium, een zwaar metaal dat giftig is en aan steeds strengere milieuregelgeving onderhevig is, vooral in de Europese Unie. Cadmiumvrije alternatieven, bijvoorbeeld op basis van indiumfosfide, bestaan al, maar presteren over het algemeen nog iets minder goed.

Onderzoek naar tweedimensionale materialen zoals molybdeendisulfide (MoS2), waarvan de bandgap kan worden afgestemd door het aantal atoomlagen te variëren, wordt gezien als een mogelijke weg naar nog kleinere en zuinigere transistors voor na het silicium-tijdperk. Dit werk bevindt zich echter nog grotendeels in het fundamentele onderzoeksstadium en is ver verwijderd van praktische toepassing in massaproductie.

Wie werken eraan?

Aan de kant van vermogenselektronica met wide-bandgap-materialen zijn Infineon (Duitsland), STMicroelectronics (Frankrijk/Italië) en Wolfspeed (Verenigde Staten) toonaangevende chipfabrikanten van SiC- en GaN-componenten. Bij quantumdot-displays lopen Samsung en LG, beide Zuid-Koreaans, al jaren voorop. Op het gebied van perovskiet-tandemzonnecellen is Oxford PV, een spin-off van de Universiteit van Oxford, een van de meest zichtbare commerciële spelers.

Op onderzoeksgebied speelt het Amerikaanse NREL (National Renewable Energy Laboratory) een centrale rol bij het onafhankelijk certificeren van zonnecel-efficiëntierecords. In Duitsland doet het Fraunhofer ISE veel toegepast onderzoek naar zonnecellen en halfgeleidermaterialen, terwijl het Belgische onderzoekscentrum imec internationaal vooroploopt in halfgeleider- en chiptechnologie, inclusief wide-bandgap-materialen. In Nederland doen onder meer TU Delft en TNO onderzoek naar geavanceerde zonnecel- en halfgeleidermaterialen, al is de Nederlandse en Belgische rol vooral verbonden aan het bredere imec-ecosysteem en minder aan grootschalige eigen massaproductie.

Op landenniveau lopen de Verenigde Staten, Duitsland, Japan, Zuid-Korea en in toenemende mate China voorop, zowel in fundamenteel onderzoek als in industriële productie van halfgeleidermaterialen met afgestemde bandgaps. Nederland en België spelen een kleinere maar relevante rol, vooral via het onderzoeks- en productie-ecosysteem rond imec en de Nederlandse sterke positie in chipproductieapparatuur.