Band gap - Band gap

Mostrando cómo se produce la estructura de la banda electrónica en el ejemplo hipotético de una gran cantidad de átomos de carbono que se unen para formar un cristal de diamante. El gráfico (derecha) muestra los niveles de energía en función del espacio entre átomos. Cuando los átomos están muy separados (lado derecho del gráfico), cada átomo tiene orbitales atómicos de valencia pys que tienen la misma energía. Sin embargo, cuando los átomos se acercan, sus orbitales comienzan a superponerse. Debido al teorema de Bloch, que describe la hibridación de los orbitales de los átomos de N en el cristal, los N orbitales atómicos de igual energía se dividen en N orbitales moleculares cada uno con una energía diferente. Dado que N es un número tan grande, los orbitales adyacentes están muy juntos en energía, por lo que los orbitales pueden considerarse una banda de energía continua. a es el espacio atómico en un cristal real de diamante. En ese espacio, los orbitales forman dos bandas, llamadas bandas de valencia y conducción, con un intervalo de banda de 5,5 eV entre ellas. A temperatura ambiente, muy pocos electrones tienen la energía térmica para superar esta amplia brecha energética y convertirse en electrones de conducción, por lo que el diamante es un aislante. Un tratamiento análogo del silicio con la misma estructura cristalina produce un intervalo de banda mucho más pequeño de 1,1 eV, lo que hace que el silicio sea un semiconductor.

En la física del estado sólido , una banda prohibida , también llamada brecha de energía , es un rango de energía en un sólido donde no pueden existir estados electrónicos . En los gráficos de la estructura de la banda electrónica de los sólidos, la banda prohibida generalmente se refiere a la diferencia de energía (en electronvoltios ) entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción en aisladores y semiconductores . Es la energía necesaria para promover que un electrón de valencia unido a un átomo se convierta en un electrón de conducción , que puede moverse libremente dentro de la red cristalina y servir como portador de carga para conducir la corriente eléctrica . Está estrechamente relacionado con la brecha HOMO / LUMO en química. Si la banda de valencia está completamente llena y la banda de conducción está completamente vacía, los electrones no pueden moverse en el sólido; sin embargo, si algunos electrones se transfieren de la valencia a la banda de conducción, entonces la corriente puede fluir (ver generación de portadores y recombinación ). Por lo tanto, la banda prohibida es un factor importante que determina la conductividad eléctrica de un sólido. Las sustancias con espacios de banda grandes son generalmente aislantes , las que tienen espacios de banda más pequeños son semiconductores , mientras que los conductores tienen espacios de banda muy pequeños o ninguno, porque las bandas de valencia y conducción se superponen.

En física de semiconductores

Estructura de bandas de semiconductores .

Cada sólido tiene su propia estructura característica de bandas de energía . Esta variación en la estructura de la banda es responsable de la amplia gama de características eléctricas observadas en varios materiales. En semiconductores y aislantes, los electrones están confinados a varias bandas de energía y prohibidos en otras regiones. El término "banda prohibida" se refiere a la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. Los electrones pueden saltar de una banda a otra. Sin embargo, para que un electrón salte de una banda de valencia a una banda de conducción, requiere una cantidad mínima específica de energía para la transición. La energía requerida difiere con diferentes materiales. Los electrones pueden ganar suficiente energía para saltar a la banda de conducción al absorber un fonón (calor) o un fotón (luz).

Un semiconductor es un material con un intervalo de banda de tamaño intermedio pero distinto de cero que se comporta como un aislante en el cero absoluto, pero permite la excitación térmica de los electrones en su banda de conducción a temperaturas que están por debajo de su punto de fusión. Por el contrario, un material con una banda prohibida grande es un aislante . En los conductores , las bandas de valencia y conducción pueden superponerse, por lo que es posible que no tengan una banda prohibida.

La conductividad de los semiconductores intrínsecos depende en gran medida de la banda prohibida. Los únicos portadores de carga disponibles para la conducción son los electrones que tienen suficiente energía térmica para ser excitados a través de la banda prohibida y los huecos de electrones que quedan cuando ocurre tal excitación.

La ingeniería de banda prohibida es el proceso de controlar o alterar la banda prohibida de un material controlando la composición de ciertas aleaciones de semiconductores , como GaAlAs, InGaAs e InAlAs. También es posible construir materiales en capas con composiciones alternas mediante técnicas como la epitaxia de haz molecular . Estos métodos se aprovechan en el diseño de transistores bipolares de heterounión (HBT), diodos láser y células solares .

La distinción entre semiconductores y aislantes es una cuestión de convención. Un enfoque es pensar en los semiconductores como un tipo de aislante con una banda prohibida estrecha. Los aisladores con una banda prohibida más grande, generalmente superior a 4 eV, no se consideran semiconductores y, por lo general, no muestran un comportamiento semiconductor en condiciones prácticas. La movilidad de los electrones también juega un papel en la determinación de la clasificación informal de un material.

La energía de banda prohibida de los semiconductores tiende a disminuir al aumentar la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la amplitud de las vibraciones atómicas aumenta, lo que conduce a un mayor espaciamiento interatómico. La interacción entre los fonones reticulares y los electrones libres y los huecos también afectará a la banda prohibida en menor medida. La relación entre la energía de la banda prohibida y la temperatura se puede describir mediante la expresión empírica de Varshni (llamada así por YP Varshni ),

, donde E g (0), α y β son constantes materiales.

En un cristal semiconductor regular, la banda prohibida se fija debido a estados de energía continuos. En un cristal de punto cuántico , la banda prohibida depende del tamaño y puede modificarse para producir un rango de energías entre la banda de valencia y la banda de conducción. También se conoce como efecto de confinamiento cuántico .

Los espacios entre bandas también dependen de la presión. Los espacios entre bandas pueden ser directos o indirectos , según la estructura de la banda electrónica .

Band gap directo e indirecto

Según las estructuras de las bandas, los materiales tienen una banda prohibida directa o una banda prohibida indirecta. Si la cantidad de movimiento del estado de energía más baja en la banda de conducción y el estado de energía más alta de la banda de valencia de un material son iguales, el material tiene una banda prohibida directa. Si no son iguales, entonces el material tiene una banda prohibida indirecta. Para materiales con una banda prohibida directa, los electrones de valencia pueden excitarse directamente en la banda de conducción mediante un fotón cuya energía es mayor que la banda prohibida. Por el contrario, para materiales con una banda prohibida indirecta, un fotón y un fonón deben estar involucrados en una transición desde la parte superior de la banda de valencia a la parte inferior de la banda de conducción. Por lo tanto, los materiales con banda prohibida directa tienden a tener propiedades de absorción y emisión de luz más fuertes. En igualdad de condiciones, los materiales de banda prohibida directa tienden a ser mejores para la energía fotovoltaica (PV), diodos emisores de luz (LED) y diodos láser ; sin embargo, los materiales de banda prohibida indirecta se utilizan con frecuencia en PV y LED cuando los materiales tienen otras propiedades favorables.

Diodos emisores de luz y diodos láser

Los LED y los diodos láser generalmente emiten fotones con una energía cercana y ligeramente mayor que la banda prohibida del material semiconductor del que están hechos. Por lo tanto, a medida que aumenta la energía de la banda prohibida, el color del LED o del láser cambia de infrarrojo a rojo, a través del arco iris a violeta y luego a UV.

Celdas fotovoltaicas

El límite Shockley-Queisser proporciona la máxima eficiencia posible de una célula solar de unión única bajo luz solar no concentrada, en función de la banda prohibida del semiconductor. Si la banda prohibida es demasiado alta, la mayoría de los fotones de luz diurna no se pueden absorber; si es demasiado bajo, la mayoría de los fotones tienen mucha más energía de la necesaria para excitar electrones a través de la banda prohibida, y el resto se desperdicia. Los semiconductores que se utilizan comúnmente en las células solares comerciales tienen espacios de banda cerca del pico de esta curva, por ejemplo, silicio (1,1 eV) o CdTe (1,5 eV). El límite de Shockley-Queisser se ha superado experimentalmente mediante la combinación de materiales con diferentes energías de banda prohibida para hacer células solares en tándem .

La banda prohibida óptica (ver más abajo) determina qué porción del espectro solar absorbe una célula fotovoltaica . Un semiconductor no absorberá fotones de energía menor que la banda prohibida; y la energía del par electrón-hueco producido por un fotón es igual a la energía de banda prohibida. Un convertidor solar luminiscente utiliza un medio luminiscente para convertir fotones con energías por encima de la banda prohibida en energías de fotones más cercanas a la banda prohibida del semiconductor que comprende la célula solar.

Lista de intervalos de banda

A continuación se muestran los valores de banda prohibida para algunos materiales seleccionados. Para obtener una lista completa de los huecos de banda en semiconductores, consulte Lista de materiales semiconductores .

Grupo Material Símbolo Brecha de banda ( eV ) @ 302 K Referencia
III-V Nitruro de aluminio AlN 6.0
IV Diamante C 5.5
IV Silicio Si 1,14
IV Germanio Ge 0,67
III – V Nitruro de galio GaN 3.4
III – V Fosfuro de galio Brecha 2,26
III – V Arseniuro de galio GaAs 1,43
IV – V Nitrido de silicona Si 3 N 4 5
IV – VI Sulfuro de plomo (II) PbS 0,37
IV – VI Dióxido de silicio SiO 2 9
Óxido de cobre (I) Cu 2 O 2.1

Banda prohibida óptica versus electrónica

En materiales con una gran energía de enlace de excitones , es posible que un fotón tenga apenas la energía suficiente para crear un excitón (par electrón-agujero ligado), pero no suficiente energía para separar el electrón y el agujero (que son atraídos eléctricamente a cada uno). otro). En esta situación, hay una distinción entre "banda prohibida óptica" y "banda prohibida eléctrica" ​​(o "banda prohibida de transporte"). La banda prohibida óptica es el umbral para que los fotones sean absorbidos, mientras que la brecha de transporte es el umbral para crear un par electrón-hueco que no está unido entre sí. La banda prohibida óptica tiene una energía más baja que la brecha de transporte.

En casi todos los semiconductores inorgánicos, como el silicio, el arseniuro de galio, etc., hay muy poca interacción entre los electrones y los huecos (energía de enlace de excitones muy pequeña) y, por lo tanto, la banda prohibida óptica y electrónica son esencialmente idénticas, y la distinción entre ellos es ignorado. Sin embargo, en algunos sistemas, incluidos los semiconductores orgánicos y los nanotubos de carbono de pared simple , la distinción puede ser significativa.

Huecos de banda para otras cuasi-partículas

En fotónica , los intervalos de banda o las bandas de parada son rangos de frecuencias de fotones en los que, si se descuidan los efectos de efecto túnel, no se pueden transmitir fotones a través de un material. Un material que exhibe este comportamiento se conoce como cristal fotónico . El concepto de hiperuniformidad ha ampliado la gama de materiales de banda prohibida fotónica, más allá de los cristales fotónicos. Al aplicar la técnica en la mecánica cuántica supersimétrica , se ha sugerido una nueva clase de materiales ópticos desordenados, que soportan espacios de banda perfectamente equivalentes a los de los cristales o cuasicristales .

Una física similar se aplica a los fonones en un cristal fonónico .

Materiales

Lista de temas de electrónica

Ver también

Referencias

enlaces externos