Banda proibida
Na física do estado sólido e na química do estado sólido, um bandgap ou gap de energia, é uma faixa de energia em um sólido onde não existem estados eletrônicos. Em gráficos da estrutura de bandas eletrônica de sólidos, o bandgap refere-se à diferença de energia entre o topo da banda de valência e o fundo da banda de condução em isolantes e semicondutores. É a energia necessária para promover um elétron da banda de valência para a banda de condução. O elétron resultante na banda de condução são livres para se mover dentro da rede cristalina e servem como portadores de carga para conduzir corrente elétrica. Está intimamente relacionado ao gap HOMO–LUMO em química. Se a banda de valência está completamente cheia e a banda de condução está completamente vazia, então os elétrons não podem se mover dentro do sólido porque não há estados disponíveis. Se os elétrons não são livres para se mover dentro da rede cristalina, então não há corrente gerada devido à ausência de mobilidade líquida de portadores de carga. No entanto, se alguns elétrons transferem da banda de valência para a banda de condução, então a corrente pode fluir. Portanto, o bandgap é um fator importante que determina a condutividade elétrica de um sólido. Substâncias com grandes bandgaps são geralmente isolantes, aquelas com pequenos bandgaps são semicondutores, e condutores têm bandgaps muito pequenos ou nenhum, porque as bandas de valência e condução se sobrepõem para formar uma banda contínua.
Todo sólido tem sua própria estrutura de bandas de energia característica. Essa variação na estrutura de bandas é responsável pela ampla gama de características elétricas observadas em vários materiais. Dependendo da dimensão, a estrutura de bandas e a espectroscopia podem variar. Os diferentes tipos de dimensões são listados: uma dimensão, duas dimensões e três dimensões. Em semicondutores e isolantes, os elétrons estão confinados a um número de bandas de energia e são proibidos de outras regiões porque não há estados eletrônicos permitidos para eles ocuparem. O termo "bandgap" refere-se à diferença de energia entre o topo da banda de valência e o fundo da banda de condução. Os elétrons são capazes de saltar de uma banda para outra. No entanto, para que um elétron da banda de valência seja promovido à banda de condução, ele requer uma quantidade mínima específica de energia para a transição. Essa energia necessária é uma característica intrínseca do material sólido. Os elétrons podem ganhar energia suficiente para saltar para a banda de condução absorvendo um fônon (calor) ou um fóton (luz).
Bandgap direto e indireto
Com base em sua estrutura de bandas, os materiais são caracterizados com um bandgap direto ou indireto. No modelo de elétron livre, k é o momento de um elétron livre e assume valores únicos dentro da zona de Brillouin que delineia a periodicidade da rede cristalina. Se o momento do estado de menor energia na banda de condução e o estado de maior energia da banda de valência de um material tiverem o mesmo valor, então o material tem um bandgap direto. Se não forem os mesmos, então o material tem um bandgap indireto e a transição eletrônica deve sofrer transferência de momento para satisfazer a conservação. Tais transições indiretas "proibidas" ainda ocorrem, no entanto, com probabilidades muito baixas e energia mais fraca. Para materiais com um bandgap direto, os elétrons de valência podem ser diretamente excitados para a banda de condução por um fóton cuja energia é maior que o bandgap. Em contraste, para materiais com um bandgap indireto, um fóton e um fônon devem ambos estar envolvidos em uma transição do topo da banda de valência para o fundo da banda de condução, envolvendo uma mudança de momento. Portanto, materiais de bandgap direto tendem a ter propriedades de emissão e absorção de luz mais fortes e tendem a ser mais adequados para fotovoltaicas (PVs), diodos emissores de luz (LEDs) e diodos laser; no entanto, materiais de bandgap indireto são frequentemente usados em PVs e LEDs quando os materiais têm outras propriedades favoráveis.
Diodos emissores de luz e diodos laser
LEDs e diodos laser geralmente emitem fótons com energia próxima e ligeiramente maior que o bandgap do material semicondutor do qual são feitos. Portanto, à medida que a energia do bandgap aumenta, a cor do LED ou laser muda do infravermelho para o vermelho, através do arco-íris até o violeta, depois para o UV.
Células fotovoltaicas
O bandgap óptico determina qual porção do espectro solar uma célula fotovoltaica absorve. Estritamente, um semicondutor não absorverá fótons de energia menor que o bandgap; enquanto a maioria dos fótons com energias excedendo o bandgap gerará calor. Nenhum deles contribui para a eficiência de uma célula solar.
Lista de bandgaps
Abaixo estão valores de bandgap para alguns materiais selecionados. Para uma lista abrangente de bandgaps em semicondutores, veja Lista de materiais semicondutores.
É possível que um fóton absorvido tenha exatamente energia suficiente para gerar um par elétron-buraco ligado (um éxciton), mas não energia adicional suficiente para separar os dois contra sua atração elétrica mútua. A primeira energia é chamada de "bandgap óptico", enquanto a energia para criar um par não ligado, de modo que uma corrente elétrica macroscópica flua, é o "bandgap eletrônico" ou "gap de transporte", e é maior que o primeiro pela energia de ligação do éxciton. Em quase todos os semicondutores inorgânicos (silício, arseneto de gálio, etc.) há muito pouca interação entre elétrons e buracos, portanto a energia de ligação do éxciton é muito baixa, e a diferença entre os dois gaps é geralmente ignorada. No entanto, em alguns sistemas, incluindo semicondutores orgânicos e nanotubos de carbono de parede única, a distinção pode ser significativa.
Na fotônica, bandgaps ou bandas de parada são faixas de frequências de fótons onde, se os efeitos de tunelamento forem negligenciados, nenhum fóton pode ser transmitido através de um material. Um material que exibe esse comportamento é conhecido como um cristal fotônico. O conceito de hiperuniformidade ampliou a gama de materiais com bandgap fotônico, além dos cristais fotônicos. Ao aplicar a técnica em mecânica quântica supersimétrica, uma nova classe de materiais ópticos desordenados foi sugerida, que suportam bandgaps perfeitamente equivalentes aos de cristais ou quasicristais. Física semelhante se aplica aos fônons em um cristal fonônico.
