A largura da banda proibida é a diferença de energia entre a banda de condução mais baixa e a banda de valência mais alta em um semicondutor. A distância entre a banda de condução e a banda de valência dos elétrons é conhecida como largura da banda proibida. A energia mínima necessária para excitar um elétron até uma condição na banda de condução onde ele possa conduzir elétrons é essencialmente representada pela largura da banda proibida.
A banda de valência é o nível de energia mais baixo; portanto, se houver um espaço entre ela e a banda de condução , de energia mais alta , é necessário adicionar energia para que os elétrons se tornem livres. A magnitude e a existência desse intervalo de energia permitem distinguir entre condutores, semicondutores e isolantes.
Como condutores, isolantes e semicondutores diferem em sua banda proibida?
A diferença na largura da banda proibida demonstra como semicondutores, isolantes e condutores possuem larguras de banda proibida diferentes. As características únicas dos materiais devem-se, em parte, à extensão dessa largura de banda proibida. Em isolantes, existe uma largura de banda proibida significativa que separa os elétrons da banda de valência daqueles da banda de condução. Isso indica a existência de uma lacuna de energia "proibida" significativa que impede os elétrons da banda de valência de saltarem para a banda de condução e iniciarem a condução. Isso explica por que os isolantes não conduzem eletricidade de forma eficiente.
Nos condutores, a banda de valência e a banda de condução se sobrepõem. Os elétrons de valência ficam praticamente livres para entrar na banda de condução e participar da condução devido a essa sobreposição. Apenas uma parte dos elétrons de valência consegue atravessar o material por causa dessa sobreposição parcial , mas isso ainda é suficiente para tornar os condutores condutores.
Como a lacuna de banda em semicondutores é preenchida?
A lacuna nos semicondutores pode ser preenchida por algum tipo de estímulo, possivelmente pela luz solar no caso das células fotovoltaicas . Essa lacuna tem basicamente um tamanho intermediário entre o de um isolante e o de um condutor. Nesse modelo, um número limitado de elétrons pode entrar na banda de condução e conduzir uma quantidade muito pequena de eletricidade.
A lacuna eletrônica deixada pela ativação desse elétron também possibilita que outros processos de condução ocorram. O elétron de um átomo próximo pode ocupar essa vacância, iniciando uma cascata de movimento de lacunas e elétrons que resulta em corrente elétrica. A condutividade desse material pode ser drasticamente aumentada com a adição de uma pequena quantidade de material dopante.
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A quantidade mínima de energia necessária para que os elétrons nas camadas mais externas de uma substância se desprendam de seus átomos originais é conhecida como gap de energia ou banda proibida. Esses elétrons, então, participam da condução. Como sempre há elétrons livres disponíveis para condução mesmo com a aplicação da menor diferença de potencial elétrico, bons condutores têm um gap de energia zero.
Suas bandas de valência e condução na verdade se sobrepõem. Como liberar um elétron de seu átomo pai requer muita energia, os isolantes têm lacunas de banda extraordinariamente altas. Os semicondutores têm energias de espaço de banda intermediárias na escala de elétron-volt. Para reduzir o potencial de um elétron em um volt, é necessário um elétron-volt (1ev).
