La banda prohibida explicada

Actualizado: 12 nov 2020


Comprender cómo se excitan los electrones es crucial para crear células solares y diodos emisores de luz.



¿Por qué algunos materiales funcionan bien para fabricar células solares o diodos emisores de luz (LED), mientras que otros materiales no? Un factor clave es tener la banda prohibida adecuada.


En pocas palabras, las bandas prohibidas tienen que ver con cómo se comportan los electrones y qué se necesita para excitarlos. Los electrones son las partículas subatómicas que tienen carga negativa y que rodean el núcleo de un átomo. Cuando un grupo de electrones se mueven todos juntos en la misma dirección, forman una corriente eléctrica.


Se puede pensar que los electrones en un átomo están en algún lugar de una serie de posibles "estados", que incluyen su nivel de energía, momento y giro, con diferentes probabilidades de estar en un estado dado. Dos electrones no pueden estar en el mismo estado al mismo tiempo, es decir, al menos una de estas variables debe diferir. Algunos estados en particular son posibles y algunos están prohibidos por las leyes de la mecánica cuántica. Los conjuntos de estados posibles forman regiones que se denominan bandas. Los conjuntos de estados que no son posibles forman regiones entre esas bandas y se denominan bandas prohibidas.


Las bandas más cercanas al núcleo atómico, llamadas niveles centrales, y la banda más alejada del núcleo que tiene electrones, llamada banda de valencia, mantienen sus electrones firmemente en su lugar. La siguiente banda que sale de ella se llama "banda de conducción", y allí, los electrones son libres para vagar libremente.


En algunos materiales, llamados metales, una banda de valencia y una banda de conducción se superponen, y la electricidad fluye libre y fácilmente a través de ellas. En otros materiales, llamados aislantes, existe una gran brecha entre la banda de valencia y la banda de conducción, lo que hace casi imposible que un electrón se excite lo suficiente como para saltar de uno a otro, por lo que bloquean el flujo de electricidad.


Diagrama simple de una estructura de bandas de un material semiconductor. Crédito: Tim Starling.

Hay una tercera categoría, y ahí es donde ocurren las cosas más interesantes. Estos son materiales que tienen un espacio más estrecho entre las dos bandas y se denominan semiconductores. A veces pueden actuar como metales, a veces pueden actuar como aislantes y, a veces, pueden tener propiedades intermedias. Cuando se descubrieron por primera vez, se consideraron inútiles debido a su comportamiento variable y errático, hasta que los físicos descubrieron el misterio de la banda prohibida.


“Fue la idea de la banda prohibida lo que permitió a las personas comprender y aprovechar los semiconductores para dispositivos optoelectrónicos”, es decir, dispositivos que funcionan con luz y electricidad, dice Tonio Buonassisi, profesor asistente de ingeniería mecánica y fabricación de SMA del MIT.


Cuando los electrones se excitan (al calentarse o al ser golpeados por una partícula de luz, conocida como fotón), pueden saltar a través del espacio. Si un electrón en un cristal es golpeado por un fotón que tiene suficiente energía, puede excitarse lo suficiente como para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, donde es libre de formar parte de una corriente eléctrica. Eso es lo que sucede cuando la luz incide en una célula solar y produce un flujo de electrones.


El silicio, un semiconductor, es el material de elección para las células solares en gran parte debido a su banda prohibida. La banda prohibida del silicio es lo suficientemente amplia como para que los electrones puedan cruzarla fácilmente una vez que son alcanzados por fotones de luz visible.


El mismo proceso también funciona a la inversa. Cuando la electricidad pasa a través de un semiconductor, puede emitir un fotón, cuyo color está determinado por la banda prohibida del material. Esa es la base de los diodos emisores de luz, que se utilizan cada vez más para pantallas y pantallas de computadora, y se consideran las últimas bombillas de bajo consumo.





 

Artículo traducido de: Explained: Bandgap escrito por David L. Chandler, MIT News Office.

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