Banda de decalaj

A înţelege modul în care electronii devin excitaţi este crucial pentru crearea celulelor solare şi a ledurilor. De ce unele materiale sunt potrivite pentru a crea panouri solare sau leduri, iar altele nu? Un factor cheie al acestei diferenţieri este banda de decalaj.

Pe scurt, benzile de decalaj au legătură cu modul în care electronii se comportă şi ce anume îi face să intre în starea de excitare. Electronii sunt particule subatomice care au o sarcină negativă şi se găsesc în jurul atomului. Când un grup de electroni circulă în aceeaşi direcţie, ei dau naştere unui curent electric.

Electronii dintr-un atom pot fi consideraţi ca aflându-se într-un sistem de stări (incluzând nivelul de energie, impulsul şi momentul de spin) cu diferite probabilităţi de a se afla într-o anumită stare. Doi electroni nu se pot afla în aceeaşi stare într-un anumit moment, anume cel puţin una dintre aceste variabile trebuie să difere. Anumite stări particulare sunt posibile, pe când altele sunt interzise de legile mecanicii cuantice. Seturi de stări posibile formează regiuni care sunt denumite benzi. Seturi de stări imposibile formează regiuni aflate între benzi, denumite benzi de decalaj.

Benzile cele mai apropiate de nucleul atomului, denumite niveluri de bază, şi banda cea mai departe de nucleu care are electroni pe ea, denumită banda de valenţă, îşi menţin electronii în poziţiile lor. Următoarea bandă după acestea este denumită banda de conducţie, pe care electronii circulă fără restricţii.

În unele materiale, anume metalele, benzile de valenţă şi de conducţie se suprapun, astfel că electricitatea circulă fluent şi uşor prin ele. În alte materiale, denumite izolatoare, există o distanţă mare între banda de valenţă şi cea de conducţie, devenind aproape imposibil pentru un electron să devină excitat suficient de mult încât să poată sări de pe o bandă pe alta, astfel că acest tip de materiale blochează fluxul de curent electric.

Există şi o a treia categorie, care este în acelaşi timp şi cea mai interesantă. Acestea sunt materialele care au o distanţă mai mică între cele două benzi menţionate anterior, astfel că ele sunt denumite semiconductoare. Uneori se comportă precum metalele, alteori precum izolatoarele, însă pot avea şi proprietăţi comune celor două tipuri. În momentul descoperirii lor, au fost considerate inutile datorită comportamentului lor variabil, haotic, însă aceste considerente s-au modificat după ce oamenii de ştiinţă au descoperit banda de decalaj.

„A fost ideea unei benzi de decalaj cea care le-a permis oamenilor să înţeleagă şi să utilizeze materialele semiconductoare pentru dispozitive optoelectronice (dispozitive care funcţionează pe bază de lumină şi electricitate)”, afirmă Tonio Buonassisi, asistent SMA de profesor de Inginerie şi Prelucrări Mecanice la MIT.

Când electronii devin excitaţi (prin încălzire, sau prin ciocnirea cu o particulă de lumină, denumită foton), aceştia pot sări peste acea distanţă dintre benzi. Dacă un electron dintr-un cristal este lovit de un foton cu o energie suficientă, electronul poate deveni excitat suficient de mult încât să poată sări pe banda de conducţie, unde va putea deveni cu uşurinţă parte a unui curent electric. Acest lucru se întâmplă când lumina cade pe suprafaţa unei celule solare, producând un flux de electroni.

Siliciul, un semiconductor, este materialul ales pentru celulele solare, în mare parte datorită benzii sale de decalaj. Banda de decalaj a siliciului este suficient de lată pentru ca electronii să o poată sări, odată loviţi de fotonii luminii.

Acest proces funcţionează şi în sens invers. Când electricitatea trece printr-un semiconductor, acesta poate emite un foton, a cărui culoare este determinată de banda de decalaj a materialului. Acesta este principiul diodelor cu emisie de lumină (ledurile), care sunt folosite din ce în ce mai mult pentru fabricarea monitoarelor sau ecranelor, fiind văzute ca varianta optimă de becuri cu consum redus.

 

Sursa:scientia.ro