Gap De Enerxía

Obxectivos
O obxectivo desta prática é medir o gap dun semicondutor. Para isto, utilizaremos a relación existente entre a condutividade dos semicondutores e a temperatura.

Teoría de bandas
Todos os sólidos poden ser clasificados como condutores, semicondutores ou illantes dependendo da dispoñibilidade dos seus electróns de condución. A teoría de bandas dá unha explicación a estas diferenzasnas propiedades eléctricas e ten en consideración a dispoñibilidade, ou non, dos electróns de condución. Segundo a teoría da física cuántica, os átomos individuais posúen certos niveis enerxéticos permitidos para os seus electróns. Non obstante, cando varios átomos se agrupan para formar un sólido, estes niveis enerxéticos reorganízanse para dar como resultado bandas de niveis de enerxíapermitidos. O número de electróns nun sólido é tan grande que, aínda que as bandas están formadas por varios niveis discretos de enerxía, estes niveis están distribuidos tan próximos uns dos outros que as bandas se volven practicamente continuas. Polo tanto, haberá varias bandas de enerxía permitida. En particular, imos considerar as dúas mais altas. Estas son a banda de valencia e a banda de condución. Oselectróns enchen a banda de valencia desde o menor nivel de enerxía até o mais alto. A parte superior da banda de valencia é o nivel mais alto que, en teoría, debería estar completamente ocupado á temperatura de 0 K. Nos illantes e semicondutores, a banda de valencia está completamente ocupada mentres que a de condución está baleira. Os electróns mais interiores dos átomos son moito menosinfluenciados polos átomos veciños, e ocupan niveis discretos de enerxía. Considéranse ligados. Nos niveis mais altos da banda de valencia, os electróns poden moverse dun átomo a outro, pero só dentro da banda de valencia. Xa que estes electróns só poden intercambiar a súa posición cos outros electróns de valencia dos átomos veciños, non están dispoñibles para a condución. Os electróns enchen os niveisde enerxía en orde porque son fermións e, como tales, deben obedecer o principio de exclusión de Pauli e non poden ocupar niveis enerxéticos idénticos. Á única forma en que un electrón podería saltar dun átomo a outro nun illante ou semicondutor sería ocupando un nivel enerxético lixeiramente diferente nun átomo veciño. Non obstante, isto non é posible, xa que todos eses niveis están ocupados poroutros electróns. Entre a banda de valencia e a de condución existe unha zona denominada banda prohibida ou gap, que separa ambas bandas e na cal non se poden atopar electróns. Para que un material poida conducir a electricidade debe ter ocos na banda de valencia ou electróns na banda de condución. É dicir, debe haber ocos para que as cargas poidan moverse dentro do material.

Nos illantes, abanda de enerxía prohibida ten un valor substancial e separa a banda de valencia e a de condución significativamente. A zona prohibida é, neste caso, praticamente imposible de superar para os electróns. Pola contra, os condutores somente teñen unha banda, e a parte superior da mesma está parcialmente chea, permitindo así a condución eléctrica. Isto significa que existen moitos niveis enerxéticospróximos e dispoñibles para que os electróns se movan libremente dentro deles. Así, cando unha diferenza de potencial é aplicada sobre o material condutor, os electróns poden moverse moi facilmente dun átomo ao outro. Os semicondutores teñen a banda de valencia completa e, polo tanto, os electróns non facilitan a condución a baixas temperaturas. Sen embargo, nos semicondutores a zona de enerxíaprohibida entre a banda de condución e a de valencia é suficientemente pequena, o que fai máis sinxelo que unha cantidade importante de electróns poida atravesar ese gap e saltar da banda de valencia á de condución. Isto sucede cando se aplica unha cantidade de enerxía suficiente, por exemplo, unha excitación térmica. Como resultado, os semicondutores incrementan a súa condutividade co incremento da...