Todos os sólidos têm a sua própria estrutura de banda de energia característica. Esta variação na estrutura da banda é responsável pela ampla gama de características elétricas observadas em vários materiais. Em semicondutores e isoladores, os elétrons estão confinados a uma série de bandas de energia e proibidos de outras regiões. O termo “intervalo de banda” refere-se à diferença de energia entre a parte superior da banda de valência e a parte inferior da banda de condução. Os elétrons são capazes de saltar de uma banda para outra. No entanto, para que um elétron salte de uma banda de valência para uma banda de condução, é necessária uma quantidade mínima específica de energia para a transição. A energia necessária difere com os diferentes materiais. Os elétrons podem ganhar energia suficiente para saltar para a banda de condução absorvendo um fone (calor) ou um fóton (luz).
Um semicondutor é um material com uma folga na banda de tamanho intermediário mas não nulo que se comporta como um isolante a zero absoluto mas permite a excitação térmica dos elétrons em sua banda de condução a temperaturas abaixo de seu ponto de fusão. Em contraste, um material com uma grande abertura de banda é um isolante. Nos condutores, as bandas de valência e de condução podem sobrepor-se, pelo que podem não ter uma folga de banda.
A condutividade dos semicondutores intrínsecos depende fortemente da folga de banda. Os únicos portadores de carga disponíveis para a condução são os elétrons que têm energia térmica suficiente para serem excitados através do intervalo de banda e os orifícios de elétrons que são deixados de fora quando tal excitação ocorre.
A engenharia de banda é o processo de controlar ou alterar o intervalo de banda de um material, controlando a composição de certas ligas semicondutoras, como GaAlAs, InGaAs e InAlAs. Também é possível construir materiais em camadas com composições alternadas por técnicas como a epitaxia de feixes moleculares. Estes métodos são explorados no projeto de transistores bipolares de heterojunção (HBTs), diodos laser e células solares.
A distinção entre semicondutores e isoladores é uma questão de convenção. Uma abordagem é pensar nos semicondutores como um tipo de isolador com uma estreita abertura de banda. Isoladores com uma folga de banda maior, geralmente maior que 4 eV, não são considerados semicondutores e geralmente não apresentam comportamento semicondutor em condições práticas. A mobilidade eletrônica também desempenha um papel na determinação da classificação informal de um material.
A energia do espaço de banda dos semicondutores tende a diminuir com o aumento da temperatura. Quando a temperatura aumenta, a amplitude das vibrações atómicas aumenta, levando a um maior espaçamento interatómico. A interação entre os fones da malha e os elétrons livres e furos também afetará a folga da banda em menor grau. A relação entre a energia do intervalo de banda e a temperatura pode ser descrita pela expressão empírica de Varshni (nome dado a 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 }}}}{T
, onde Eg(0), α e β são constantes materiais.
Em um cristal semicondutor normal, a folga da banda é fixa devido aos estados de energia contínua. Num cristal de ponto quântico, o intervalo de banda é dependente do tamanho e pode ser alterado para produzir uma gama de energias entre a banda de valência e a banda de condução. É também conhecido como efeito de confinamento quântico.
As folgas de banda também dependem da pressão. Os intervalos de banda podem ser directos ou indirectos, dependendo da estrutura da banda electrónica.
Intervalo de banda directo e indirectoEditar
Baseadas nas estruturas de banda, os materiais têm lacuna de banda direta ou lacuna de banda indireta. Se o momento do menor estado de energia na banda de condução e o maior estado de energia da banda de valência de um material forem os mesmos, o material tem um “bandgap” direto. Se não forem iguais, então o material tem uma folga de banda indireta. Para materiais com um intervalo de banda directa, os electrões de valência podem ser directamente excitados para a banda de condução por um fotão cuja energia é maior do que o intervalo de banda. Em contraste, para materiais com um intervalo de banda indirecta, um fóton e um fóton devem estar ambos envolvidos numa transição da banda de valência superior para a banda de condução inferior. Portanto, os materiais com folga de banda direta tendem a ter propriedades de emissão e absorção de luz mais fortes. Outras coisas iguais, materiais bandgap diretos tendem a ser melhores para fotovoltaicos (PVs), diodos emissores de luz (LEDs) e diodos laser; entretanto, materiais bandgap indiretos são freqüentemente usados em PVs e LEDs quando os materiais têm outras propriedades favoráveis.
Díodos emissores de luz e diodos laserEditar
Díodos emissores de luz e díodos laser normalmente emitem fótons com energia próxima e ligeiramente maior do que a folga da banda do material semicondutor a partir do qual são feitos. Portanto, à medida que a energia do intervalo de banda aumenta, a cor do LED ou laser muda de infravermelho para vermelho, através do arco-íris para violeta, depois para UV.
Células fotovoltaicasEditar
O gap de banda óptica (ver abaixo) determina que parte do espectro solar uma célula fotovoltaica absorve. Um semicondutor não absorverá menos fótons de energia do que o intervalo de banda; e a energia do par elétron-hole produzido por um fóton é igual à energia do intervalo de banda. Um conversor solar luminescente utiliza um meio luminescente para downconverter os fotões com energias acima do intervalo de banda para energias do fotão mais próximas do intervalo de banda do semicondutor que compreende a célula solar.
Lista de intervalos de bandaEditar
Below são valores de intervalo de banda para alguns materiais seleccionados. Para obter uma lista abrangente de espaços de banda em semicondutores, consulte Lista de materiais semicondutores.