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Intervalo de banda

Autor: Leandro Alegsa

28-02-2021

Um intervalo de banda, também chamado de bandgap ou intervalo de energia, é uma faixa de energia em um sólido onde não podem existir estados de elétrons. O termo é usado em física e química de estado sólido.

As aberturas de banda podem ser encontradas em isoladores e semicondutores. Nos gráficos da estrutura da banda eletrônica de sólidos, a lacuna da banda é a diferença de energia (em volts eletrônicos) entre o topo da banda de valência e a parte inferior da banda de condução. Isto é o mesmo que a energia necessária para liberar um elétron de casca externa de sua órbita sobre o núcleo para se tornar um portador de carga móvel. O elétron livre é capaz de se mover livremente dentro do material sólido. Portanto, a abertura da banda é um fator principal que determina a condutividade elétrica de um sólido. As substâncias com grandes aberturas de banda são geralmente isolantes, aquelas com aberturas de banda menores são semicondutores. Os condutores têm folgas de banda muito pequenas ou nenhuma folga de banda se os níveis de energia de valência e as bandas de condução se sobrepõem.

Em física de semicondutores

Os cientistas usam a abertura da banda para prever se um sólido conduzirá a eletricidade. A maioria dos elétrons (chamados de elétrons de valência) são atraídos para o núcleo de apenas um átomo. Mas se um elétron tem energia suficiente para voar para longe de seu núcleo mais próximo, ele pode se juntar ao fluxo de corrente elétrica através dos muitos átomos que compõem o sólido. Os elétrons que não estão firmemente presos a apenas um núcleo são chamados de banda condutora.

Em semicondutores e isoladores, a mecânica quântica mostra que os elétrons são encontrados apenas em uma série de faixas de energia. Os elétrons são proibidos a partir de outros níveis de energia. 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. Entretanto, um elétron precisa de uma certa quantidade de energia para saltar de uma banda de valência para uma banda de condução. A quantidade de energia necessária difere com diferentes materiais. Os elétrons podem ganhar energia suficiente para pular para a banda de condução absorvendo um fone (calor) ou um fóton (luz).

Um semicondutor é um material com um pequeno mas não nulo intervalo de banda que se comporta como isolante à temperatura zero absoluta (0 K), mas permite que o calor excite elétrons o suficiente para saltar em sua banda condutora a temperaturas abaixo de seu ponto de fusão. Em contraste, um material com uma grande abertura de banda é um isolante. Em condutores, as bandas de valência e de condução podem se sobrepor, de modo que podem não ter uma folga de banda.

A condutividade dos semicondutores intrínsecos é fortemente dependente da folga da banda. Os únicos suportes disponíveis para a condução são os elétrons que têm energia térmica suficiente para serem excitados através da fenda da banda.

A engenharia de abertura de banda é o processo de controlar ou alterar a abertura de banda de um material através do controle da composição de certas ligas semicondutoras, tais como GaAlAs, InGaAs, e InAlAs. Também é possível construir materiais em camadas com composições alternadas por técnicas como a epitaxia de feixe molecular. Estes métodos são utilizados no projeto de transistores bipolares heterojuncionais (HBTs), díodos laser e células solares.

É difícil traçar uma linha entre os semicondutores e os isoladores. Uma maneira é pensar nos semicondutores como um tipo de isolante com uma estreita abertura de banda. Isoladores com um espaço de banda maior, geralmente maior que 3 eV,^{[fonte? ]} não são colocados no grupo semicondutor e geralmente não exibem comportamento semicondutor sob condições práticas. A mobilidade eletrônica também desempenha um papel na determinação do agrupamento informal de um material como um semicondutor.

A energia da abertura de banda 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 fones de malha e os elétrons e furos livres também afetará um pouco a folga da banda. A relação entre a energia da abertura da banda e a temperatura pode ser descrita pela expressão empírica de Varshni,

$E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}$ onde _Eg(0), α e β são constantes materiais.

Em um cristal semicondutor normal, a abertura da banda é fixa devido a estados de energia contínua. Em um 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. Também é conhecido como efeito de confinamento quântico.

As fendas das bandas também dependem da pressão. As aberturas de banda podem ser diretas ou indiretas, dependendo da estrutura da banda eletrônica.

Interpretação matemática

Classicamente, a razão de probabilidades de que dois estados com uma diferença de energia ΔE serão ocupados por um elétron é dada pelo fator Boltzmann:

e ( - Δ E k T ) Estilo de jogo e^{\i1}esquerda(frac {\i}}delta E^direita(kT) $e^{\left({\frac {-\Delta E}{kT}}\right)}$

onde:

e é o número de Euler (a base dos logaritmos naturais)
ΔE é a diferença de energia
k é a constante de Boltzmann
T é a temperatura.

No nível Fermi (ou potencial químico), a probabilidade de um estado ser ocupado é ½. Se o nível Fermi estiver no meio de uma fenda de 1 eV, esta probabilidade é e-20 ou cerca de 2^,0⋅10-9 na energia térmica de 25,9 meV em temperatura ambiente.

Células fotovoltaicas

Os elétrons podem ser excitados tanto pela luz quanto pelo calor. A abertura da banda determina que parte do espectro solar uma célula fotovoltaica absorve. Um conversor solar luminescente utiliza um meio luminescente para downconverter fótons com energias acima do intervalo de banda para energias fotônicas mais próximas do intervalo de banda do semicondutor que compreende a célula solar.

Lista de lacunas de banda

Material	Símbolo	Abertura de banda (eV) @ 302K	Referência
Silício	Si	1.11
Selênio	Se	1.74
Germanium	Ge	0.67
Carboneto de silício	SiC	2.86
Fosforeto de alumínio	AlP	2.45
Arsenieto de alumínio	AlAs	2.16
Antimonido de alumínio	AlSb	1.6
Nitreto de alumínio	AlN	6.3
Diamante	C	5.5
Fosforeto de gálio(III)	GaP	2.26
Gálio(III) arsenieto	GaAs	1.43
Nitreto de gálio(III)	GaN	3.4
Sulfureto de gálio(II)	GaS	2.5
Antimonido de gálio	GaSb	0.7
Antimonido de índio	InSb	0.17
Nitreto de índio(III)	InN	0.7
Fosforeto de índio(III)	InP	1.35
Arsenieto de índio(III)	InAs	0.36
Dissilicida de ferro	β-FeSi2	0.87
Óxido de zinco	ZnO	3.37
Sulfeto de zinco	ZnS	3.6
Selenida de zinco	ZnSe	2.7
Telureto de zinco	ZnTe	2.25
Sulfeto de cádmio	CdS	2.42
Selenieto de cádmio	CdSe	1.73
Telureto de cádmio	CdTe	1.49
Sulfureto de chumbo(II)	PbS	0.37
Selenide de chumbo(II)	PbSe	0.27
Telluride de chumbo(II)	PbTe	0.29
Óxido de cobre(II)	CuO	1.2
Óxido de cobre(I)	Cu2O	2.1

O limite Shockley-Queisser proporciona a máxima eficiência possível de uma única célula solar de junção sob a luz solar não concentrada, em função do limite de semicondutores. Se o limite for muito alto, a maioria dos fótons diurnos não pode ser absorvida; se for muito baixo, então a maioria dos fótons tem muito mais energia do que a necessária para excitar os elétrons através do limite, e o resto é desperdiçado. Os semicondutores comumente usados em células solares comerciais têm "bandgaps" perto do pico desta curva, por exemplo silício (1,1eV) ou CdTe (1,5eV). O limite Shockley-Queisser pode ser excedido pelas células solares tandem, concentrando a luz solar na célula, e outros métodos.

Na fotônica e na fonônica

Em fótons com fendas ou bandas de parada são faixas de freqüências de fótons onde, se os efeitos de túnel forem negligenciados, nenhum fóton pode ser transmitido através de um material. Um material que exibe este comportamento é chamado de "cristal fotônico".

Física semelhante se aplica aos fonos em um cristal fonônico.

Perguntas e Respostas

P: O que é uma falha de banda?

R: Um intervalo de banda, também chamado de intervalo de banda ou intervalo de energia, é um intervalo de energia em um sólido onde não podem existir estados de elétrons.

P: A que se refere o termo em física e química de estado sólido?

R: O termo se refere à diferença de energia (em volts de elétrons) entre a parte superior da banda de valência e a parte inferior da banda de condução. Isso também é conhecido como a energia necessária para liberar um elétron exterior de sua órbita sobre o núcleo para se tornar um portador de carga móvel.

P: Como isso afeta a condutividade elétrica?

R: A abertura da banda é um fator importante que determina a condutividade elétrica de um sólido. Substâncias com grandes aberturas de banda são geralmente isolantes, aquelas com aberturas de banda menores são semicondutores. Os condutores têm aberturas de banda muito pequenas ou nenhuma abertura de banda se os níveis de energia da valência e das bandas de condução se sobrepõem.

P: Como os elétrons se movem dentro dos sólidos?

R: Os elétrons são capazes de se mover livremente dentro de materiais sólidos quando se tornam portadores de cargas móveis depois de serem liberados de suas órbitas ao redor dos núcleos.

P: O que acontece quando os elétrons alcançam energias mais elevadas?

R: Quando os elétrons alcançam energias mais altas, eles podem saltar através da barreira energética criada pela abertura da banda e se tornar elétrons livres que podem se mover livremente dentro de um material sólido.

P: Todos os isoladores ou semicondutores sólidos são isoladores?

R: Nem todos os sólidos são isoladores ou semicondutores; alguns podem ser condutores se sua valência e suas faixas de condução se sobrepõem, resultando em fendas muito pequenas ou nenhumas.