Fizică de bandă

Band bandă, în fizica în stare solidă, o serie de niveluri de energie dintr-un cristal dat, care sunt imposibile pentru un electron. În general, un material va avea mai multe goluri de bandă de-a lungul structurii sale de bandă (continuul nivelurilor de energie permise și interzise de electroni), cu goluri mari de bandă între benzile de miez și goluri de bandă progresiv mai restrânse între benzile superioare până când nu mai apar. Fenomenul decalajului de bandă apare atunci când două benzi adiacente nu sunt suficient de largi pentru a cuprinde întreaga gamă de niveluri de energie a electronilor.

superconductivitate: lacune energetice

După cum sa menționat mai sus, proprietățile termice ale supraconductorilor indică faptul că există un decalaj în distribuția nivelurilor de energie disponibile

.

Golul de bandă de nivel Fermi

În practică, majoritatea cercetărilor sunt axate pe o singură distanță a benzii - cea care înglobează nivelul Fermi (nivelul de energie la care electronii există sau sunt sub un solid la temperatura zero absolută). Această diferență de bandă specială este prezentă în semiconductori și izolatori și, prin urmare, este singurul decalaj de bandă relevant pentru discuțiile electronice și optoelectronice (studiul dispozitivelor electronice care interacționează cu lumina). Nu este prezent în metale, unde nivelul Fermi este în schimb închis de o bandă permisă. Prin urmare, se spune că metalele nu au niciun gol de bandă, în ciuda faptului că tehnic au goluri de bandă mai departe de nivelul Fermi. În unele contexte, termenul decalaj al benzii se referă la lățimea decalajului de bandă al unui material, raportat în mod obișnuit în voltele electronilor (eV).

Clasificarea materialelor

Based on the absence or presence of a band gap and on band gap size, materials can be classified into metals, semiconductors, and insulators. Foremost, metals can be distinguished from semiconductors and insulators by their lack of a band gap. Semiconductors and insulators may be differentiated by the size of their band gaps, the former having narrower band gaps and the latter having wider band gaps. In some texts, 9 eV is designated as the cutoff band gap for being considered a semiconductor, though this is by no means universal.

Influence on conductivity

That metals are excellent conductors of electricity, insulators are poor conductors of electricity, and semiconductors are somewhere in-between is common knowledge. Lesser known, however, is that those properties are determined by the band gap in each of the different materials. In particular, metals have high electrical conductivity due to their lack of a band gap—with no band gap separating the valence band (normally occupied states) from the conduction band (normally unoccupied states; electrons in this band move freely through the material and are responsible for electrical conduction), a small fraction of electrons will always be in the conduction band (i.e., free). This results in a superior electrical conductivity in metals.

Insulators, on the other hand, owe their low electrical conductivity to wide band gaps separating the valence band from the conduction band. If their band gaps were narrower, it would be feasible for thermal excitations to raise electrons to the conduction band; however, they are simply too wide for this to occur appreciably. As a result, the conductivity of a good insulator can be as little as 24 orders of magnitude less than that of a good conductor.

Finally, semiconductors rank intermediate in electrical conductivity, because their narrow band gaps make it nontrivial, but not impossible, for electrons to be raised to the conduction band by way of thermal excitation. The result is conductivity in semiconductors that is about 4–16 orders of magnitude less than that of a good conductor.

Band gap tuning

The width of the band gaps in typical elemental and binary semiconductors are generally not optimized for specialized applications in electronics and optoelectronics. Thus it is often lucrative to tune, or engineer, the band gap of semiconductors. To that end, scientists have used techniques such as employing semiconductor heterojunctions and molecular beam epitaxy and, in doing so, unlocked the band gaps necessary to create heterojunction bipolar transistors, laser diodes, and solar cells.