brecha de banda

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 banda electrónica de los sólidos, la brecha de banda 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 requerida para promover que un electrón de valencia unido a un átomo se convierta en un electrón de conducción., que es libre de moverse dentro de la red cristalina y sirve 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 dentro del sólido porque no hay estados disponibles. Si los electrones no pueden moverse libremente dentro de la red cristalina, entonces no se genera corriente debido a que no hay movilidad neta del portador de carga. Sin embargo, si algunos electrones se transfieren de la banda de valencia (en su mayoría llena) a la banda de conducción (en su mayoría vacía), entonces la corriente puede fluir (ver generación y recombinación de portadores ). Por lo tanto, la brecha de banda es un factor importante que determina laconductividad eléctrica de un sólido. Las sustancias con espacios de banda grandes generalmente son aislantes , aquellas con 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 para formar una banda continua.

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. Dependiendo de la dimensión, la estructura de la banda y la espectroscopia pueden variar. Los diferentes tipos de dimensiones se enumeran: una dimensión, dos dimensiones y tres dimensiones. ^[1]

En los semiconductores y aisladores, los electrones están confinados a una serie de bandas de energía y están prohibidos en otras regiones porque no hay estados electrónicos permitidos que puedan ocupar. 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 de la banda de valencia sea promovido a la banda de conducción, se requiere una cantidad mínima específica de energía para la transición. Esta energía requerida es una característica intrínseca del material sólido. 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 una banda prohibida distinta de cero de tamaño intermedio que se comporta como un aislante en T=0K, pero permite la excitación térmica de 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 ya no existe una banda prohibida con regiones prohibidas de estados electrónicos.

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 brecha de banda 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 mediante el control de la composición de ciertas aleaciones semiconductoras , 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 explotan en el diseño de transistores bipolares de heterounión (HBT), diodos láser y células solares .

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 los átomos. Cuando los átomos están muy separados (lado derecho del gráfico) , cada átomo tiene orbitales atómicos de valencia p y s 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. Desde Nes un número tan grande que los orbitales adyacentes tienen una energía extremadamente cercana, por lo que los orbitales pueden considerarse una banda de energía continua. a es el espaciado atómico en un cristal real de diamante. Con ese espacio, los orbitales forman dos bandas, llamadas bandas de valencia y de conducción, con una banda de 5,5 eV entre ellas. A temperatura ambiente, muy pocos electrones tienen la energía térmica para superar esta amplia brecha de energía 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 una banda prohibida mucho más pequeña de 1,1 eV, lo que convierte al silicio en un semiconductor.

Estructura de la banda de semiconductores .

El límite de Shockley-Queisser brinda la máxima eficiencia posible de una celda solar de unión única bajo luz solar no concentrada, en función de la brecha de banda del semiconductor. Si la brecha de banda es demasiado alta, la mayoría de los fotones de la luz del día no se pueden absorber; si es demasiado bajo, entonces la mayoría de los fotones tienen mucha más energía de la necesaria para excitar electrones a través de la brecha de banda, y el resto se desperdicia. Los semiconductores comúnmente utilizados 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 fabricar células solares en tándem .