Care solid are propria sa structură caracteristică a benzilor de energie. Această variație în structura benzilor este responsabilă pentru gama largă de caracteristici electrice observate în diferite materiale. în semiconductori și izolatori, electronii sunt confinați într-un număr de benzi de energie și le sunt interzise alte regiuni. Termenul „bandă interzisă” se referă la diferența de energie dintre partea superioară a benzii de valență și partea inferioară a benzii de conducție. Electronii sunt capabili să sară de la o bandă la alta. Cu toate acestea, pentru ca un electron să sară de la o bandă de valență la o bandă de conducție, este nevoie de o anumită cantitate minimă de energie pentru tranziție. Energia necesară diferă de la un material la altul. Electronii pot obține suficientă energie pentru a sări în banda de conducție prin absorbția fie a unui fonon (căldură), fie a unui foton (lumină).
Un semiconductor este un material cu o bandă interzisă de mărime intermediară, dar diferită de zero, care se comportă ca un izolator la zero absolut, dar care permite excitarea termică a electronilor în banda sa de conducție la temperaturi care sunt sub punctul său de topire. În schimb, un material cu o bandă interzisă mare este un izolator. În cazul conductorilor, benzile de valență și de conducție se pot suprapune, astfel încât aceștia pot să nu aibă o bandă interzisă.
Conductibilitatea semiconductorilor intrinseci depinde în mare măsură de banda interzisă. Singurii purtători de sarcină disponibili pentru conducție sunt electronii care au suficientă energie termică pentru a fi excitați peste banda interzisă și găurile electronice care sunt lăsate deoparte atunci când are loc o astfel de excitație.
Inginerie de bandă interzisă este procesul de control sau de modificare a benzii interzise a unui material prin controlul compoziției anumitor aliaje semiconductoare, cum ar fi GaAlAs, InGaAs și InAlAs. De asemenea, este posibil să se construiască materiale stratificate cu compoziții alternante prin tehnici precum epitaxia cu fascicul molecular. Aceste metode sunt exploatate în proiectarea tranzistoarelor bipolare cu heterojoncțiune (HBT), a diodelor laser și a celulelor solare.
Distincția dintre semiconductori și izolatori este o chestiune de convenție. O abordare este să ne gândim la semiconductori ca la un tip de izolator cu o bandă interzisă îngustă. Izolatorii cu o bandă interzisă mai mare, de obicei mai mare de 4 eV, nu sunt considerați semiconductori și, în general, nu prezintă un comportament semiconductor în condiții practice. Mobilitatea electronilor joacă, de asemenea, un rol în determinarea clasificării informale a unui material.
Energia benzii interzise a semiconductorilor tinde să scadă odată cu creșterea temperaturii. Atunci când temperatura crește, amplitudinea vibrațiilor atomice crește, ceea ce duce la un spațiu interatomic mai mare. Interacțiunea dintre fononii rețelei și electronii și găurile libere va afecta, de asemenea, banda interzisă într-o măsură mai mică. Relația dintre energia benzii interzise și temperatură poate fi descrisă prin expresia empirică a lui Varshni (numită după 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 }}}.
, unde Eg(0), α și β sunt constante de material.
Într-un cristal semiconductor obișnuit, banda interzisă este fixă datorită stărilor energetice continue. Într-un cristal cu punct cuantic, banda interzisă este dependentă de dimensiune și poate fi modificată pentru a produce o gamă de energii între banda de valență și banda de conducție. Acesta este cunoscut și sub numele de efect de confinare cuantică.
Band gap-urile depind și de presiune. Intervalele de bandă pot fi directe sau indirecte, în funcție de structura benzii electronice.
Intervalele de bandă directe și indirecteEdit
În funcție de structurile de bandă, materialele au fie bandă interzisă directă, fie bandă interzisă indirectă. Dacă momentul celei mai joase stări energetice din banda de conducție și cel al celei mai înalte stări energetice din banda de valență a unui material sunt identice, materialul are o bandă interzisă directă. Dacă acestea nu sunt identice, atunci materialul are o bandă interzisă indirectă. În cazul materialelor cu o bandă interzisă directă, electronii de valență pot fi excitați direct în banda de conducție de un foton a cărui energie este mai mare decât banda interzisă. În schimb, pentru materialele cu o bandă interzisă indirectă, un foton și un fonon trebuie să fie amândoi implicați într-o tranziție de la partea superioară a benzii de valență la partea inferioară a benzii de conducție. Prin urmare, materialele cu bandă interzisă directă tind să aibă proprietăți mai puternice de emisie și absorbție a luminii. În alte condiții egale, materialele cu bandă interzisă directă tind să fie mai bune pentru fotovoltaice (PV), diode emițătoare de lumină (LED) și diode laser; cu toate acestea, materialele cu bandă interzisă indirectă sunt utilizate frecvent în PV și LED atunci când materialele au alte proprietăți favorabile.
Diode emițătoare de lumină și diode laserEdit
Articol principal: Dioda emițătoare de lumină
LED-urile și diodele laser emit de obicei fotoni cu energie apropiată și ușor mai mare decât banda interzisă a materialului semiconductor din care sunt fabricate. Prin urmare, pe măsură ce energia benzii interzise crește, culoarea LED-ului sau a laserului se schimbă de la infraroșu la roșu, prin curcubeu la violet, apoi la UV.
Celule fotovoltaiceEditură
Banda optică interzisă (a se vedea mai jos) determină ce porțiune din spectrul solar absoarbe o celulă fotovoltaică. Un semiconductor nu va absorbi fotoni cu o energie mai mică decât banda interzisă; iar energia perechii electron-găur produsă de un foton este egală cu energia benzii interzise. Un convertor solar luminescent utilizează un mediu luminescent pentru a converti fotonii cu energii superioare benzii interzise în energii de fotoni mai apropiate de banda interzisă a semiconductorului care compune celula solară.
Lista benzilor interziseEdit
Mai jos sunt prezentate valorile benzilor interzise pentru unele materiale selectate. Pentru o listă completă a benzilor interzise ale semiconductorilor, consultați Lista materialelor semiconductoare.
.