Lacuna de banda - Band gap
Na física do estado sólido , um intervalo de banda , também chamado de intervalo de energia , é uma faixa de energia em um sólido onde nenhum estado eletrônico pode existir. Em gráficos da estrutura de banda eletrônica de sólidos, o gap geralmente se refere à diferença de energia (em elétron-volts ) entre o topo da banda de valência e a parte inferior da banda de condução em isoladores e semicondutores . É a energia necessária para promover um elétron de valência ligado a um átomo para se tornar um elétron de condução , que é livre para se mover dentro da rede cristalina e servir como um portador de carga para conduzir corrente elétrica . Está intimamente relacionado com a lacuna HOMO / LUMO em química. Se a banda de valência estiver completamente cheia e a banda de condução estiver completamente vazia, então os elétrons não podem se mover no sólido; entretanto, se alguns elétrons são transferidos da valência para a banda de condução, então a corrente pode fluir (ver geração de portadores e recombinação ). Portanto, o gap é um fator importante que determina a condutividade elétrica de um sólido. As substâncias com lacunas de banda grandes são geralmente isolantes ; aquelas com lacunas de banda menores são semicondutores , enquanto os condutores têm lacunas de banda muito pequenas ou nenhuma, porque as bandas de valência e de condução se sobrepõem.
Em física de semicondutores
Cada sólido tem sua própria estrutura de banda de energia característica . Essa variação na estrutura de bandas é responsável pela ampla gama de características elétricas observadas em diversos materiais. Em semicondutores e isoladores, os elétrons estão confinados a várias faixas de energia e proibidos de outras regiões. O termo "intervalo de banda" refere-se à diferença de energia entre o topo da banda de valência e a parte inferior da banda de condução. Os elétrons são capazes de pular de uma banda para outra. No entanto, para que um elétron salte de uma banda de valência para uma banda de condução, ele requer uma quantidade mínima específica de energia para a transição. A energia necessária difere com diferentes materiais. Os elétrons podem ganhar energia suficiente para saltar para a banda de condução absorvendo um fônon (calor) ou um fóton (luz).
Um semicondutor é um material com um intervalo de banda de tamanho intermediário, mas diferente de zero, que se comporta como um isolante em zero absoluto, mas permite a excitação térmica de elétrons em sua banda de condução em temperaturas abaixo de seu ponto de fusão. Em contraste, um material com uma grande lacuna de banda é um isolante . Nos condutores , as bandas de valência e condução podem se sobrepor, portanto, não podem ter um gap de banda.
A condutividade de semicondutores intrínsecos é fortemente dependente do gap. Os únicos portadores de carga disponíveis para a condução são os elétrons que têm energia térmica suficiente para serem excitados através do gap e os buracos de elétrons que são deixados de lado quando tal excitação ocorre.
A engenharia de band-gap é o processo de controlar ou alterar o band gap 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 epitaxia de feixe molecular . Esses 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 isolante com um gap estreito. Isoladores com um gap maior, geralmente maior que 4 eV, não são considerados semicondutores e geralmente não exibem comportamento semicondutor em condições práticas. A mobilidade de elétrons também desempenha um papel na determinação da classificação informal de um material.
A energia do band-gap dos semicondutores tende a diminuir com o aumento da temperatura. Quando a temperatura aumenta, a amplitude das vibrações atômicas aumenta, levando a um maior espaçamento interatômico. A interação entre os fônons da rede e os elétrons livres e lacunas também afetará o gap em uma extensão menor. A relação entre a energia do gap e a temperatura pode ser descrita pela expressão empírica de Varshni (em homenagem a YP Varshni ),
- , onde E g (0), α e β são constantes materiais.
Em um cristal semicondutor regular, o gap é fixo devido aos estados de energia contínuos. Em um cristal de ponto quântico , o gap depende 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 lacunas de banda também dependem da pressão. Os intervalos de banda podem ser diretos ou indiretos , dependendo da estrutura da banda eletrônica .
Gap direto e indireto
Com base nas estruturas de banda, os materiais têm gap direto ou gap indireto. Se o momento do estado de energia mais baixa na banda de condução e o estado de energia mais alta da banda de valência de um material são iguais, o material tem um gap direto. Se eles não forem iguais, o material tem um gap indireto. Para materiais com um gap direto, os elétrons de valência podem ser excitados diretamente na banda de condução por um fóton cuja energia é maior do que o bandgap. Em contraste, para materiais com um gap indireto, um fóton e um fônon devem estar ambos envolvidos em uma transição do topo da banda de valência para a parte inferior da banda de condução. Portanto, os materiais com bandgap direto tendem a ter propriedades de emissão e absorção de luz mais fortes. Outras coisas iguais, materiais de bandgap direto tendem a ser melhores para fotovoltaicos (PVs), diodos emissores de luz (LEDs) e diodos de laser ; no entanto, materiais bandgap indiretos são freqüentemente usados em PVs e LEDs quando os materiais têm outras propriedades favoráveis.
Diodos emissores de luz e diodos laser
LEDs e diodos de laser geralmente emitem fótons com energia próxima e ligeiramente maior do que o gap do material semicondutor do qual são feitos. Portanto, à medida que a energia do intervalo de banda aumenta, a cor do LED ou do laser muda de infravermelho para vermelho, do arco-íris para violeta e depois para UV.
Células fotovoltaicas
O gap óptico (veja abaixo) determina que porção do espectro solar uma célula fotovoltaica absorve. Um semicondutor não absorverá fótons de energia menos do que o gap; e a energia do par elétron-buraco produzida por um fóton é igual à energia do bandgap. Um conversor solar luminescente usa um meio luminescente para converter os fótons com energias acima do intervalo de banda para energias de fótons mais perto do intervalo de banda do semicondutor que compreende a célula solar.
Lista de lacunas de banda
Abaixo estão os valores de gap para alguns materiais selecionados. Para obter uma lista abrangente de lacunas de banda em semicondutores, consulte Lista de materiais semicondutores .
Grupo | Material | Símbolo | Intervalo de banda ( eV ) @ 302 K | Referência |
---|---|---|---|---|
III-V | Nitreto de alumínio | AlN | 6,0 | |
4 | Diamante | C | 5,5 | |
4 | Silício | Si | 1,14 | |
4 | Germânio | Ge | 0,67 | |
III – V | Nitreto de gálio | GaN | 3,4 | |
III – V | Fosforeto de gálio | Gap = Vão | 2,26 | |
III – V | Arsenieto de gálio | GaAs | 1,43 | |
IV – V | Nitreto de silício | Si 3 N 4 | 5 | |
IV-VI | Sulfeto de chumbo (II) | PbS | 0,37 | |
IV-VI | Dióxido de silício | SiO 2 | 9 | |
Óxido de cobre (I) | Cu 2 O | 2,1 |
Bandgap óptico versus eletrônico
Em materiais com uma grande energia de ligação de exciton , é possível que um fóton tenha apenas energia suficiente para criar um exciton (par elétron-buraco ligado), mas não energia suficiente para separar o elétron e o buraco (que são atraídos eletricamente para cada um de outros). Nesta situação, há uma distinção entre "gap óptico" e "gap elétrico" (ou "gap de transporte"). O gap óptico é o limite para os fótons serem absorvidos, enquanto o gap de transporte é o limite para a criação de um par elétron-buraco que não está unido. O gap óptico está em menor energia do que o gap de transporte.
Em quase todos os semicondutores inorgânicos, como silício, arseneto de gálio, etc., há muito pouca interação entre elétrons e buracos (energia de ligação de excitons muito pequena) e, portanto, o bandgap óptico e eletrônico são essencialmente idênticos, e a distinção entre eles é ignorado. No entanto, em alguns sistemas, incluindo semicondutores orgânicos e nanotubos de carbono de parede simples , a distinção pode ser significativa.
Lacunas de banda para outras quase-partículas
Na fotônica , os intervalos de banda ou bandas de parada são faixas de frequências de fótons onde, se os efeitos de tunelamento forem desprezados, nenhum fóton pode ser transmitido através de um material. Um material que exibe esse comportamento é conhecido como cristal fotônico . O conceito de hiperuniformidade ampliou a gama de materiais de gap fotônico, além dos cristais fotônicos. Ao aplicar a técnica em mecânica quântica supersimétrica , uma nova classe de materiais óticos desordenados foi sugerida, que suportam band gaps perfeitamente equivalentes aos de cristais ou quasicristais .
Física semelhante se aplica aos fônons em um cristal fonônico .
Materiais
Lista de tópicos de eletrônica
- Eletrônicos
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- Banda valence
Veja também
- Semicondutores de largura de banda larga
- Flexão de banda
- Densidade espectral
- Pseudogap
- Enredo Tauc
- Efeito Moss-Burstein
- Energia de Urbach
Referências
links externos
- Calculadora de energia de lacuna direta de banda
- Moriarty, Philip. "Energy Gap (e o que torna o vidro transparente?)" . Sessenta símbolos . Brady Haran para a Universidade de Nottingham .