La brecha de energía es la diferencia de energía entre la banda de conducción más baja y la banda de valencia más alta en un semiconductor. La distancia entre la banda de conducción y la banda de valencia de los electrones se conoce como brecha de energía. La energía mínima necesaria para excitar un electrón hasta un nivel en la banda de conducción que le permita conducir electrones está representada esencialmente por la brecha de energía.
La banda de valencia es el nivel de energía más bajo; por lo tanto, si existe un espacio entre ella y la banda de conducción , de mayor energía , se debe añadir energía para que los electrones se liberen. La magnitud y la existencia de esta brecha energética permiten distinguir entre conductores, semiconductores y aislantes.
¿En qué se diferencian los conductores, aislantes y semiconductores en su banda prohibida?
La diferencia en la banda prohibida muestra cómo los semiconductores, aislantes y conductores presentan brechas de energía de distinto tamaño. Las características únicas de estos materiales se deben, en parte, a la amplitud de dicha brecha. En los aislantes, existe una brecha de energía significativa que separa los electrones de la banda de valencia de los de la banda de conducción. Esto indica la existencia de una brecha de energía "prohibida" considerable que impide que los electrones de la banda de valencia salten a la banda de conducción y participen en la conducción eléctrica. Esto explica por qué los aislantes no conducen la electricidad de forma eficiente.
En los conductores, la banda de valencia y la banda de conducción se superponen. Como resultado de esta superposición, los electrones de valencia tienen prácticamente libertad para entrar en la banda de conducción y participar en la conducción. Debido a esta superposición parcial , solo una parte de los electrones de valencia puede atravesar la sustancia, pero esto es suficiente para que los conductores sean conductores.
¿Cómo se rellena la banda prohibida en los semiconductores?
La brecha de energía en los semiconductores puede llenarse mediante algún tipo de estimulación, posiblemente proveniente del sol en el caso de las células fotovoltaicas . Esta brecha tiene un tamaño intermedio entre el de un aislante y el de un conductor. En este modelo, un número limitado de electrones puede entrar en la banda de conducción y conducir una cantidad muy pequeña de electricidad.
El hueco electrónico que queda tras la activación de este electrón también permite que se produzcan otros procesos de conducción. El electrón de un átomo cercano puede ocupar esta vacante, iniciando una cascada de huecos y movimiento de electrones que genera corriente. La conductividad de este material puede incrementarse drásticamente añadiendo una pequeña cantidad de material dopante.
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La cantidad mínima de energía necesaria para que los electrones de las capas más externas de una sustancia se separen de sus átomos de origen se conoce como banda prohibida o brecha de energía. Estos electrones participan entonces en la conducción. Dado que siempre hay electrones libres disponibles para la conducción incluso con la aplicación del potencial eléctrico más pequeño, los buenos conductores tienen una banda prohibida nula.
Sus bandas de valencia y conducción se superponen. Dado que liberar un electrón de su átomo original requiere mucha energía, los aislantes presentan bandas prohibidas extraordinariamente altas. Los semiconductores tienen energías de banda intermedia en la escala de electronvoltios. Para reducir el potencial de un electrón en un voltio, se necesita un electronvoltio (1 ev).
