Ogni solido ha la sua caratteristica struttura di banda di energia. Questa variazione nella struttura a bande è responsabile della vasta gamma di caratteristiche elettriche osservate in vari materiali.Nei semiconduttori e negli isolanti, gli elettroni sono confinati in un certo numero di bande di energia, e proibiti da altre regioni. Il termine “band gap” si riferisce alla differenza di energia tra la parte superiore della banda di valenza e la parte inferiore della banda di conduzione. Gli elettroni sono in grado di saltare da una banda all’altra. Tuttavia, affinché un elettrone possa saltare da una banda di valenza a una banda di conduzione, è necessaria una quantità minima di energia specifica per la transizione. L’energia richiesta varia a seconda dei materiali. Gli elettroni possono guadagnare abbastanza energia per saltare alla banda di conduzione assorbendo un fonone (calore) o un fotone (luce).
Un semiconduttore è un materiale con un band gap intermedio ma non nullo che si comporta come un isolante allo zero assoluto ma permette l’eccitazione termica degli elettroni nella sua banda di conduzione a temperature inferiori al suo punto di fusione. Al contrario, un materiale con un grande band gap è un isolante. Nei conduttori, le bande di valenza e di conduzione possono sovrapporsi, quindi possono non avere un band gap.
La conduttività dei semiconduttori intrinseci dipende fortemente dal band gap. Gli unici portatori di carica disponibili per la conduzione sono gli elettroni che hanno abbastanza energia termica per essere eccitati attraverso il band gap e i buchi di elettroni che vengono lasciati fuori quando avviene tale eccitazione.
L’ingegneria del band gap è il processo di controllo o alterazione del band gap di un materiale controllando la composizione di alcune leghe di semiconduttori, come GaAlAs, InGaAs, e InAlAs. È anche possibile costruire materiali stratificati con composizioni alternate con tecniche come l’epitassia a fascio molecolare. Questi metodi sono sfruttati nella progettazione di transistor bipolari a eterogiunzione (HBT), diodi laser e celle solari.
La distinzione tra semiconduttori e isolanti è una questione di convenzione. Un approccio è quello di pensare ai semiconduttori come a un tipo di isolante con un band gap stretto. Gli isolanti con un band gap più grande, solitamente maggiore di 4 eV, non sono considerati semiconduttori e generalmente non mostrano un comportamento semiconduttivo in condizioni pratiche. Anche la mobilità degli elettroni gioca un ruolo nel determinare la classificazione informale di un materiale.
L’energia del band-gap dei semiconduttori tende a diminuire con l’aumentare della temperatura. Quando la temperatura aumenta, l’ampiezza delle vibrazioni atomiche aumenta, portando a una maggiore spaziatura interatomica. L’interazione tra i fononi del reticolo e gli elettroni e i buchi liberi influenzerà anche il band gap in misura minore. La relazione tra l’energia del band gap e la temperatura può essere descritta dall’espressione empirica di Varshni (dal nome di Y. P. Varshni),
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {displaystyle E_g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}
, dove Eg(0), α e β sono costanti materiali.
In un cristallo semiconduttore regolare, il band gap è fisso a causa degli stati energetici continui. In un cristallo a punti quantici, il band gap è dipendente dalle dimensioni e può essere alterato per produrre una gamma di energie tra la banda di valenza e la banda di conduzione. È anche conosciuto come effetto di confinamento quantico.
I band gap dipendono anche dalla pressione. I band gap possono essere diretti o indiretti, a seconda della struttura della banda elettronica.
Band gap diretto e indirettoModifica
In base alle strutture di banda, i materiali hanno un band gap diretto o indiretto. Se il momento dello stato di energia più basso nella banda di conduzione e lo stato di energia più alto della banda di valenza di un materiale sono gli stessi, il materiale ha un bandgap diretto. Se non sono uguali, allora il materiale ha un band gap indiretto. Per i materiali con un band gap diretto, gli elettroni di valenza possono essere eccitati direttamente nella banda di conduzione da un fotone la cui energia è maggiore del bandgap. Al contrario, per i materiali con un band gap indiretto, un fotone e un fonico devono essere entrambi coinvolti in una transizione dalla parte superiore della banda di valenza a quella inferiore della banda di conduzione. Pertanto, i materiali con bandgap diretto tendono ad avere proprietà di emissione e assorbimento della luce più forti. A parità di condizioni, i materiali con bandgap diretto tendono ad essere migliori per il fotovoltaico (PVs), i diodi ad emissione di luce (LEDs) e i diodi laser; tuttavia, i materiali con bandgap indiretto sono frequentemente usati nei PVs e nei LEDs quando i materiali hanno altre proprietà favorevoli.
Diodi ad emissione di luce e diodi laserEdit
I LED e i diodi laser di solito emettono fotoni con energia vicina e leggermente superiore al band gap del materiale semiconduttore con cui sono fatti. Pertanto, all’aumentare dell’energia del band gap, il colore del LED o del laser passa dall’infrarosso al rosso, attraverso l’arcobaleno al violetto, quindi all’UV.
Celle fotovoltaicheModifica
Il band gap ottico (vedi sotto) determina quale porzione dello spettro solare assorbe una cella fotovoltaica. Un semiconduttore non assorbe i fotoni di energia inferiore al band gap; e l’energia della coppia elettrone-hole prodotta da un fotone è uguale all’energia del bandgap. Un convertitore solare luminescente utilizza un mezzo luminescente per convertire i fotoni con energie superiori al band gap in energie fotoniche più vicine al band gap del semiconduttore che comprende la cella solare.
Elenco di band gapEdit
Di seguito sono i valori di band gap per alcuni materiali selezionati. Per una lista completa dei band gap nei semiconduttori, vedi Elenco dei materiali semiconduttori.