Brecha de banda, en la física del estado sólido, un rango de niveles de energía dentro de un cristal dado que son imposibles de poseer para un electrón. Por lo general, un material tendrá varios huecos de banda a lo largo de su estructura de bandas (el continuo de niveles de energía de electrones permitidos y prohibidos), con grandes huecos de banda entre las bandas centrales y huecos de banda progresivamente más estrechos entre las bandas más altas hasta que no se produzca ninguno. El fenómeno del band gap se produce cuando dos bandas permitidas adyacentes no son lo suficientemente anchas como para abarcar todo el rango de niveles de energía de los electrones.
La brecha de banda del nivel de Fermi
En la práctica, la mayor parte de las investigaciones se centran en un único band gap en particular: el que encierra el nivel de Fermi (el nivel de energía en el que los electrones existen o están por debajo cuando un sólido está a temperatura cero absoluta). Esta banda está presente en los semiconductores y en los aislantes, por lo que es la única relevante para la electrónica y la optoelectrónica (el estudio de los dispositivos electrónicos que interactúan con la luz). No está presente en los metales, donde el nivel de Fermi está rodeado por una banda permitida. Por ello, se dice que los metales no tienen banda prohibida, aunque técnicamente tengan bandas prohibidas más alejadas del nivel de Fermi. En algunos contextos, el término brecha de banda se refiere a la anchura de la brecha de banda de un material, que suele indicarse en electronvoltios (eV).
Clasificación de los materiales
En función de la ausencia o presencia de un band gap y del tamaño del band gap, los materiales pueden clasificarse en metales, semiconductores y aislantes. En primer lugar, los metales pueden distinguirse de los semiconductores y los aislantes por su ausencia de banda prohibida. Los semiconductores y los aislantes pueden diferenciarse por el tamaño de sus bandas, ya que los primeros tienen bandas más estrechas y los segundos bandas más anchas. En algunos textos, se designa a 9 eV como la brecha de banda límite para ser considerado un semiconductor, aunque esto no es en absoluto universal.
Influencia en la conductividad
Que los metales son excelentes conductores de la electricidad, que los aislantes son malos conductores de la electricidad y que los semiconductores se sitúan en un punto intermedio es algo que todos sabemos. Sin embargo, es menos conocido que esas propiedades están determinadas por la brecha de banda de cada uno de los diferentes materiales. En concreto, los metales tienen una gran conductividad eléctrica debido a la ausencia de una banda prohibida: al no haber una banda prohibida que separe la banda de valencia (estados normalmente ocupados) de la banda de conducción (estados normalmente desocupados; los electrones de esta banda se mueven libremente por el material y son los responsables de la conducción eléctrica), una pequeña fracción de electrones estará siempre en la banda de conducción (es decir, libre). Esto da lugar a una conductividad eléctrica superior en los metales.
Los aislantes, por el contrario, deben su baja conductividad eléctrica a las amplias brechas de banda que separan la banda de valencia de la banda de conducción. Si sus huecos de banda fueran más estrechos, sería posible que las excitaciones térmicas elevaran los electrones a la banda de conducción; sin embargo, son simplemente demasiado amplios para que esto ocurra de forma apreciable. Como resultado, la conductividad de un buen aislante puede ser tan sólo 24 órdenes de magnitud menor que la de un buen conductor.
Por último, los semiconductores ocupan un lugar intermedio en cuanto a conductividad eléctrica, ya que sus estrechos huecos de banda hacen que sea no trivial, pero no imposible, que los electrones se eleven a la banda de conducción mediante excitación térmica. El resultado es que la conductividad de los semiconductores es entre 4 y 16 órdenes de magnitud inferior a la de un buen conductor.
Ajuste de la brecha de banda
La anchura de las brechas de banda en los semiconductores elementales y binarios típicos no suele estar optimizada para aplicaciones especializadas en electrónica y optoelectrónica. Por ello, a menudo resulta lucrativo ajustar, o diseñar, la brecha de banda de los semiconductores. Para ello, los científicos han utilizado técnicas como el empleo de heterojunciones de semiconductores y la epitaxia de haces moleculares y, al hacerlo, han desbloqueado las brechas de banda necesarias para crear transistores bipolares de heterojunción, diodos láser y células solares.