Fisica del gap di banda

Distacco di banda, nella fisica dello stato solido, una gamma di livelli di energia all'interno di un dato cristallo che è impossibile da possedere per un elettrone. Generalmente, un materiale avrà diversi spazi di banda in tutta la sua struttura di banda (il continuum dei livelli di energia degli elettroni consentiti e proibiti), con ampi spazi di banda tra le bande centrali e spazi di banda progressivamente più stretti tra bande superiori fino a quando non si verificano più. Il fenomeno del gap di banda si verifica quando due bande adiacenti consentite non sono abbastanza ampie da coprire l'intera gamma di livelli di energia elettronica.

superconduttività: lacune energetiche

Come detto sopra, le proprietà termiche dei superconduttori indicano che esiste una lacuna nella distribuzione dei livelli di energia disponibile

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Il gap di banda di livello di Fermi

In pratica, la maggior parte della ricerca si concentra solo su un particolare gap di banda, quello che racchiude il livello di Fermi (il livello di energia a cui esistono gli elettroni o sono inferiori quando un solido è alla temperatura zero assoluta). Questo particolare gap di banda è presente nei semiconduttori e negli isolanti ed è quindi l'unico gap di banda rilevante per la discussione di elettronica e optoelettronica (lo studio dei dispositivi elettronici che interagiscono con la luce). Non è presente nei metalli, dove il livello di Fermi è invece racchiuso da una banda consentita. Quindi, si dice che i metalli non hanno gap di banda, nonostante tecnicamente abbiano spazi di banda più lontani dal livello di Fermi. In alcuni contesti, il termine gap di banda si riferisce alla larghezza della gap di banda di un materiale, abitualmente riportata in elettronvolt (eV).

Classificazione dei materiali

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.