Cada sólido tiene su propia estructura de bandas de energía característica. Esta variación en la estructura de bandas es responsable de la amplia gama de características eléctricas observadas en diversos materiales.En los semiconductores y aislantes, los electrones están confinados en una serie de bandas de energía, y prohibidos en otras regiones. El término «band gap» se refiere a la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la 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 de conducción, necesita una cantidad mínima de energía específica para la transición. La energía requerida difiere según los materiales. Los electrones pueden obtener la energía suficiente para saltar a la banda de conducción absorbiendo un fonón (calor) o un fotón (luz).
Un semiconductor es un material con un hueco de banda de tamaño intermedio pero distinto de cero que se comporta como un aislante en el cero absoluto, pero que permite la excitación térmica de los electrones hacia su banda de conducción a temperaturas inferiores a su punto de fusión. Por el contrario, un material con una gran brecha de banda es un aislante. En los conductores, las bandas de valencia y de conducción pueden solaparse, por lo que pueden no tener una brecha de banda.
La conductividad de los semiconductores intrínsecos depende en gran medida de la brecha de banda. Los únicos portadores de carga disponibles para la conducción son los electrones que tienen suficiente energía térmica para ser excitados a través de la brecha de banda y los agujeros de electrones que quedan fuera cuando se produce dicha excitación.
La ingeniería de la brecha de banda es el proceso de controlar o alterar la brecha de banda de un material mediante el control de 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 haces moleculares. Estos métodos se utilizan 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 un estrecho hueco de banda. Los aislantes con una brecha de banda mayor, normalmente 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 desempeña un papel en la determinación de la clasificación informal de un material.
La energía de la brecha de banda de los semiconductores tiende a disminuir con el aumento de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la amplitud de las vibraciones atómicas se incrementa, dando lugar a un mayor espacio interatómico. La interacción entre los fonones de la red y los electrones y huecos libres también afectará al band gap en menor medida. La relación entre la energía de la brecha de banda y la temperatura puede describirse mediante la expresión empírica de Varshni (llamada así por Y. P. Varshni),
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {{displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{{frac {{alfa T^{2}} {T+{beta }}
, donde Eg(0), α y β son constantes materiales.
En un cristal semiconductor regular, la brecha de banda es fija debido a los estados de energía continuos. En un cristal de punto cuántico, la brecha de banda depende del tamaño y puede alterarse para producir un rango de energías entre la banda de valencia y la banda de conducción. También se conoce como efecto de confinamiento cuántico.
Las brechas de banda también dependen de la presión. Los bandgaps pueden ser directos o indirectos, dependiendo de la estructura de la banda electrónica.
Band gap directo e indirectoEditar
En función de las estructuras de banda, los materiales tienen band gap directo o band gap indirecto. Si el momento del estado de energía más bajo de la banda de conducción y el estado de energía más alto de la banda de valencia de un material son iguales, el material tiene un bandgap directo. Si no son iguales, el material tiene una brecha de banda indirecta. En los materiales con una brecha de banda directa, los electrones de valencia pueden ser excitados directamente a la banda de conducción por un fotón cuya energía es mayor que la brecha de banda. En cambio, en los materiales con una brecha de banda indirecta, un fotón y un fonón deben participar en una transición desde la parte superior de la banda de valencia hasta la parte inferior de la banda de conducción. Por lo tanto, los materiales de banda prohibida directa tienden a tener mayores propiedades de emisión y absorción de luz. En igualdad de condiciones, los materiales de banda prohibida directa tienden a ser mejores para la energía fotovoltaica (FV), los diodos emisores de luz (LED) y los diodos láser; sin embargo, los materiales de banda prohibida indirecta se utilizan con frecuencia en FV y LED cuando los materiales tienen otras propiedades favorables.
Diodos emisores de luz y diodos láserEditar
Los LED y los diodos láser suelen emitir fotones con una energía cercana y ligeramente superior a la brecha de banda del material semiconductor del que están hechos. Por lo tanto, a medida que aumenta la energía de la brecha de banda, el color del LED o del láser cambia del infrarrojo al rojo, pasando por el arco iris hasta el violeta, y luego al ultravioleta.
Células fotovoltaicasEditar
La brecha de banda óptica (véase más adelante) determina qué parte del espectro solar absorbe una célula fotovoltaica. Un semiconductor no absorbe fotones de energía inferior al band gap; y la energía del par electrón-hueco producido por un fotón es igual a la energía del bandgap. Un convertidor solar luminiscente utiliza un medio luminiscente para convertir los fotones con energías superiores a la brecha de banda en energías de fotones más cercanas a la brecha de banda del semiconductor que compone la célula solar.
Lista de brechas de bandaEditar
A continuación se muestran los valores de brecha de banda para algunos materiales seleccionados. Para obtener una lista completa de las brechas de banda de los semiconductores, consulte Lista de materiales semiconductores.