Il concetto di band gap rappresenta l’energia minima richiesta per spostare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questo parametro, noto anche come “banda proibita”, varia da materiale a materiale e svolge un ruolo fondamentale nella distinzione tra conduttori, semiconduttori e isolanti.
Significato del Band Gap
Indice Articolo
Il Ruolo del Livello Fermi
Il livello Fermi, denominato in onore del fisico italiano Enrico Fermi, indica il livello energetico più alto che gli elettroni possono occupare a temperatura di zero assoluto. Questo livello si trova nel band gap tra la banda di valenza e la banda di conduzione, poiché a basse temperature gli elettroni occupano lo stato energetico più basso. Banda di Conduzione e di Valenza
Secondo la teoria delle bande sviluppata da Felix Bloch, la banda di valenza deriva dall’interazione degli orbitali atomici di valenza e può essere parzialmente o totalmente riempita da elettroni. Quando gli elettroni nella banda di valenza acquisiscono sufficiente energia, superano il band gap diventando elettroni liberi nella banda di conduzione. La banda di conduzione è composta da elettroni liberi responsabili della conduzione, con un’energia maggiore rispetto alla banda di valenza, derivata dagli orbitali atomici. Tipicamente, la banda di conduzione è vuota poiché proviene da orbitali atomici che non contengono elettroni.
Semiconduttori e Conduzione
Nei semiconduttori, quando un elettrone viene eccitato nella banda di conduzione, può muoversi liberamente partecipando alla conduzione. Questo processo porta alla creazione di spazi vuoti nella banda di valenza, dove possono muoversi elettroni di atomi vicini, contribuendo a ulteriori processi di conduzione. Il band gap rappresenta dunque un concetto fondamentale per comprendere le proprietà e le capacità conduttive dei materiali, differenziando tra conduttori, semiconduttori e isolanti in base all’energia necessaria per l’eccitazione degli elettroni.
La conduzione nei semiconduttori intrinseci
Nel contesto dei semiconduttori intrinseci, la conduzione è legata al movimento degli elettroni e delle lacune all’interno della struttura cristallina. Gli elettroni che superano il band gap vengono promossi dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando una maggiore conducibilità ma senza raggiungere il livello tipico dei conduttori.
Variazione della conducibilità nei materiali semiconduttori
L’importanza dei materiali semiconduttori, come il silicio, nelle applicazioni elettroniche deriva dalla loro capacità di variare la conducibilità elettrica. Questo avviene attraverso il drogaggio del reticolo cristallino, aggiungendo o rimuovendo elettroni alle bande di conduzione e di valenza.
Drogaggio e modificazione della conducibilità
Il drogaggio dei solidi è un processo chimico che prevede l’aggiunta di piccole quantità di impurezze per modificare le proprietà elettriche. Ad esempio, aggiungendo fosforo o arsenico al silicio, si introducono elettroni in più nella banda di conduzione, aumentando la conducibilità del materiale.
Applicazioni del drogaggio di semiconduttori
Il drogaggio con indio, per esempio, può ridurre il numero di elettroni di valenza nel silicio puro, creando lacune nella banda di valenza che favoriscono la conduzione. Questo processo è fondamentale per la progettazione di dispositivi elettronici avanzati che richiedono materiali semiconduttori con proprietà elettriche controllate. Per saperne di più sul silicio e il suo utilizzo come materiale semiconduttore, visita la pagina dedicata al [silicio su Chimica Today](https://chimica.today/chimica-generale/silicio).
