En la física del estado sólido de los semiconductores , un diagrama de bandas es un diagrama que representa varios niveles de energía de electrones clave ( nivel de Fermi y bordes de bandas de energía cercanos ) en función de alguna dimensión espacial, que a menudo se denota por x . [1] Estos diagramas ayudan a explicar el funcionamiento de muchos tipos de dispositivos semiconductores y a visualizar cómo las bandas cambian con la posición (flexión de banda). Las bandas pueden tener colores para distinguir el nivel de llenado .
Un diagrama de bandas no debe confundirse con un diagrama de estructura de bandas . Tanto en un diagrama de bandas como en un gráfico de estructura de bandas, el eje vertical corresponde a la energía de un electrón. La diferencia es que en un diagrama de estructura de bandas el eje horizontal representa el vector de onda de un electrón en un material homogéneo infinitamente grande (un cristal o vacío), mientras que en un diagrama de bandas el eje horizontal representa la posición en el espacio, que generalmente pasa a través de múltiples materiales.
Debido a que un diagrama de bandas muestra los cambios en la estructura de bandas de un lugar a otro, la resolución de un diagrama de bandas está limitada por el principio de incertidumbre de Heisenberg : la estructura de bandas se basa en el impulso, que sólo se define con precisión para escalas de longitud grandes. Por esta razón, el diagrama de bandas sólo puede representar con precisión la evolución de las estructuras de bandas en escalas de gran longitud y tiene dificultades para mostrar la imagen microscópica de interfaces nítidas a escala atómica entre diferentes materiales (o entre un material y el vacío). Normalmente, una interfaz debe representarse como una "caja negra", aunque sus efectos a larga distancia se pueden mostrar en el diagrama de bandas como flexión de banda asintótica. [2]
El eje vertical del diagrama de bandas representa la energía de un electrón, que incluye tanto la energía cinética como la potencial. El eje horizontal representa la posición y, a menudo, no está dibujado a escala. Tenga en cuenta que el principio de incertidumbre de Heisenberg impide que el diagrama de bandas se dibuje con una resolución posicional alta, ya que el diagrama de bandas muestra bandas de energía (como resultado de una estructura de bandas dependiente del momento ).
Si bien un diagrama de bandas básico solo muestra los niveles de energía de los electrones, a menudo un diagrama de bandas estará decorado con características adicionales. Es común ver dibujos animados del movimiento en energía y posición de un electrón (o hueco de electrón ) a medida que se desplaza, es excitado por una fuente de luz o se relaja de un estado excitado. El diagrama de bandas se puede mostrar conectado a un diagrama de circuito que muestra cómo se aplican los voltajes de polarización, cómo fluyen las cargas, etc. Las bandas pueden colorearse para indicar el llenado de los niveles de energía o, a veces, las bandas prohibidas se colorearán en su lugar.
Dependiendo del material y del grado de detalle deseado, se trazarán una variedad de niveles de energía en función de la posición:
Al observar un diagrama de bandas, los estados de energía de los electrones (bandas) en un material pueden curvarse hacia arriba o hacia abajo cerca de una unión. Este efecto se conoce como flexión de banda. No corresponde a ninguna curvatura física (espacial). Más bien, la flexión de banda se refiere a los cambios locales en la estructura electrónica, en la compensación de energía de la estructura de banda de un semiconductor cerca de una unión, debido a los efectos de la carga espacial .
El principio principal que subyace a la flexión de la banda dentro de un semiconductor es la carga espacial: un desequilibrio local en la neutralidad de la carga. La ecuación de Poisson da una curvatura a las bandas dondequiera que haya un desequilibrio en la neutralidad de la carga. La razón del desequilibrio de carga es que, aunque un material homogéneo tiene carga neutra en todas partes (ya que debe tener carga neutra en promedio), no existe tal requisito para las interfaces. Prácticamente todos los tipos de interfaz desarrollan un desequilibrio de carga, aunque por diferentes motivos:
Saber cómo se doblarán las bandas cuando dos tipos diferentes de materiales entren en contacto es clave para comprender si la unión será rectificadora ( Schottky ) u óhmica . El grado de flexión de la banda depende de los niveles relativos de Fermi y de las concentraciones de portadores de los materiales que forman la unión. En un semiconductor tipo n, la banda se curva hacia arriba, mientras que en un semiconductor tipo p, la banda se curva hacia abajo. Tenga en cuenta que la flexión de la banda no se debe al campo magnético ni al gradiente de temperatura. Más bien, sólo surge en combinación con la fuerza del campo eléctrico. [ cita necesaria ]
