Celah pita

Celah pita, juga disebut celah pita atau celah energi, adalah rentang energi dalam padatan di mana tidak ada keadaan elektron yang bisa ada. Istilah ini digunakan dalam fisika dan kimia solid-state.

Celah pita dapat ditemukan pada isolator dan semikonduktor. Dalam grafik struktur pita elektronik padatan, celah pita adalah perbedaan energi (dalam elektron volt) antara bagian atas pita valensi dan bagian bawah pita konduksi. Ini sama dengan energi yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron kulit terluar dari orbitnya tentang inti untuk menjadi pembawa muatan bergerak. Elektron bebas dapat bergerak bebas di dalam bahan padat. Jadi band gap adalah faktor utama yang menentukan konduktivitas listrik dari suatu padatan. Zat dengan celah pita yang besar umumnya adalah isolator, mereka yang memiliki celah pita yang lebih kecil adalah semikonduktor. Konduktor memiliki celah pita yang sangat kecil atau tidak ada celah pita jika tingkat energi pita valensi dan konduksi tumpang tindih.

Dalam fisika semikonduktor

Ilmuwan menggunakan celah pita untuk memprediksi apakah zat padat akan menghantarkan listrik. Sebagian besar elektron (disebut elektron valensi) tertarik ke inti hanya satu atom. Tetapi jika elektron memiliki energi yang cukup untuk terbang menjauh dari inti terdekatnya, ia dapat bergabung dalam aliran arus listrik melintasi banyak atom yang membentuk padatan. Elektron-elektron yang tidak melekat erat hanya pada satu inti disebut pita konduksi.

Dalam semikonduktor dan isolator, mekanika kuantum menunjukkan bahwa elektron hanya ditemukan dalam sejumlah pita energi. Elektron dilarang dari tingkat energi lainnya. Istilah celah pita mengacu pada perbedaan energi antara bagian atas pita valensi dan bagian bawah pita konduksi. Elektron dapat melompat dari satu pita ke pita lainnya. Namun demikian, elektron memerlukan sejumlah energi untuk melompat dari pita valensi ke pita konduksi. Jumlah energi yang dibutuhkan berbeda dengan bahan yang berbeda. Elektron dapat memperoleh energi yang cukup untuk melompat ke pita konduksi dengan menyerap fonon (panas) atau foton (cahaya).

Semikonduktor adalah bahan dengan celah pita kecil tetapi bukan nol, yang berperilaku sebagai isolator pada suhu nol mutlak (0 K), tetapi memungkinkan panas menggairahkan elektron yang cukup untuk melompat ke pita konduksinya pada suhu di bawah titik lelehnya. Sebaliknya, bahan dengan celah pita besar adalah isolator. Dalam konduktor, pita valensi dan konduksi mungkin tumpang tindih, sehingga mereka mungkin tidak memiliki celah pita.

Konduktivitas semikonduktor intrinsik sangat bergantung pada celah pita. Satu-satunya pembawa yang tersedia untuk konduksi adalah elektron yang memiliki energi termal yang cukup untuk dieksitasi melintasi celah pita.

Rekayasa celah pita adalah proses mengendalikan atau mengubah celah pita bahan dengan mengendalikan komposisi paduan semikonduktor tertentu, seperti GaAlAs, InGaAs, dan InAlAs. Juga dimungkinkan untuk membangun bahan berlapis dengan komposisi bolak-balik dengan teknik seperti epitaksi berkas molekul. Metode-metode ini digunakan dalam desain transistor bipolar heterojungsi (HBT), dioda laser dan sel surya.

Sulit untuk menarik garis antara semikonduktor dan isolator. Salah satu caranya adalah dengan menganggap semikonduktor sebagai jenis isolator dengan celah pita sempit. Isolator dengan celah pita yang lebih besar, biasanya lebih besar dari 3 eV,^{[ sumber?]} tidak dimasukkan ke dalam kelompok semikonduktor dan umumnya tidak menunjukkan perilaku semikonduktif dalam kondisi praktis. Mobilitas elektron juga berperan dalam menentukan pengelompokan informal suatu bahan sebagai semikonduktor.

Energi celah pita semikonduktor cenderung menurun dengan meningkatnya suhu. Ketika suhu meningkat, amplitudo getaran atom meningkat, yang mengarah ke jarak antar atom yang lebih besar. Interaksi antara fonon kisi dan elektron bebas dan lubang juga akan sedikit mempengaruhi celah pita. Hubungan antara energi celah pita dan suhu dapat dijelaskan oleh ekspresi empiris Varshni,

E g ( T ) = E g ( 0 ) - α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}}}} $E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}$ , dimana E_g (0), α dan β adalah konstanta material.

Dalam kristal semikonduktor biasa, celah pita tetap karena keadaan energi yang kontinu. Dalam kristal titik kuantum, celah pita bergantung pada ukuran dan dapat diubah untuk menghasilkan rentang energi antara pita valensi dan pita konduksi. Hal ini juga dikenal sebagai efek pengurungan kuantum.

Celah pita juga bergantung pada tekanan. Celah pita bisa langsung atau tidak langsung, tergantung pada struktur pita elektronik.

Interpretasi matematis

Secara klasik, rasio probabilitas bahwa dua keadaan dengan perbedaan energi ΔE akan ditempati oleh elektron diberikan oleh faktor Boltzmann:

e ( - Δ E k T ) {\displaystyle e^{\left({\frac {-\Delta E}{kT}}\right)}} $e^{\left({\frac {-\Delta E}{kT}}\right)}$

di mana:

e adalah bilangan Euler (basis logaritma natural)
ΔE adalah perbedaan energi
k adalah konstanta Boltzmann
T adalah suhu.

Pada tingkat Fermi (atau potensial kimiawi), probabilitas keadaan yang ditempati adalah ½. Jika level Fermi berada di tengah-tengah celah pita 1 eV, probabilitas ini adalah e⁻²⁰ atau sekitar 2,0⋅10⁻⁹ pada energi termal suhu kamar 25,9 meV.

Sel fotovoltaik

Elektron dapat tereksitasi oleh cahaya dan juga oleh panas. Celah pita menentukan bagian spektrum surya yang diserap sel fotovoltaik. Konverter surya luminescent menggunakan media luminescent untuk menurunkan foton dengan energi di atas celah pita ke energi foton yang lebih dekat ke celah pita semikonduktor yang terdiri atas sel surya.

Daftar celah pita

Bahan	Simbol	Celah pita (eV) @ 302K	Referensi
Silikon	Si	1.11
Selenium	Se	1.74
Germanium	Ge	0.67
Silikon karbida	SiC	2.86
Aluminium fosfida	AlP	2.45
Aluminium arsenida	AlAs	2.16
Aluminium antimonida	AlSb	1.6
Aluminium nitrida	AlN	6.3
Berlian	C	5.5
Galium (III) fosfida	GaP	2.26
Galium (III) arsenida	GaAs	1.43
Galium (III) nitrida	GaN	3.4
Galium (II) sulfida	GaS	2.5
Antimonida galium	GaSb	0.7
Indium antimonida	InSb	0.17
Indium (III) nitrida	InN	0.7
Indium (III) fosfida	InP	1.35
Indium (III) arsenida	InAs	0.36
Disilisida besi	β-FeSi ₂	0.87
Seng oksida	ZnO	3.37
Seng sulfida	ZnS	3.6
Seng selenida	ZnSe	2.7
Seng telluride	ZnTe	2.25
Kadmium sulfida	CdS	2.42
Kadmium selenida	CdSe	1.73
Kadmium telluride	CdTe	1.49
Timbal (II) sulfida	PbS	0.37
Timbal (II) selenida	PbSe	0.27
Timbal (II) telurida	PbTe	0.29
Tembaga (II) oksida	CuO	1.2
Tembaga (I) oksida	Cu₂ O	2.1

Struktur pita semikonduktor.

Batas Shockley-Queisser memberikan efisiensi maksimum yang mungkin dari sel surya persimpangan tunggal di bawah sinar matahari yang tidak terkonsentrasi, sebagai fungsi dari celah pita semikonduktor. Jika celah pita terlalu tinggi, sebagian besar foton siang hari tidak dapat diserap; jika terlalu rendah, maka sebagian besar foton memiliki lebih banyak energi daripada yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron melintasi celah pita, dan sisanya terbuang sia-sia. Semikonduktor yang biasa digunakan dalam sel surya komersial memiliki celah pita di dekat puncak kurva ini, misalnya silikon (1,1eV) atau CdTe (1,5eV). Batas Shockley-Queisser dapat dilampaui oleh sel surya tandem, memusatkan sinar matahari ke sel, dan metode lainnya.

Dalam fotonik dan fononik

Dalam fotonik, celah pita atau stop band adalah rentang frekuensi foton di mana, jika efek tunneling diabaikan, tidak ada foton yang dapat ditransmisikan melalui suatu bahan. Bahan yang menunjukkan perilaku ini disebut "kristal fotonik".

Fisika serupa berlaku untuk fonon dalam kristal fononik.

Pertanyaan dan Jawaban

T: Apa yang dimaksud dengan celah pita?

J: Celah pita, juga disebut celah pita atau celah energi, adalah rentang energi dalam padatan di mana tidak ada keadaan elektron yang bisa eksis.

T: Apa yang dimaksud dengan istilah ini dalam fisika dan kimia solid-state?

J: Istilah ini mengacu pada perbedaan energi (dalam volt elektron) antara bagian atas pita valensi dan bagian bawah pita konduksi. Ini juga dikenal sebagai energi yang diperlukan untuk membebaskan elektron kulit terluar dari orbitnya tentang nukleus untuk menjadi pembawa muatan bergerak.

T: Bagaimana pengaruhnya terhadap konduktivitas listrik?

J: Celah pita adalah faktor utama yang menentukan konduktivitas listrik suatu zat padat. Zat dengan celah pita yang besar umumnya adalah isolator, sedangkan zat dengan celah pita yang lebih kecil adalah semikonduktor. Konduktor memiliki celah pita yang sangat kecil atau tidak ada celah pita jika tingkat energi pita valensi dan konduksi tumpang tindih.

T: Bagaimana elektron bergerak di dalam zat padat?

J: Elektron dapat bergerak bebas di dalam bahan padat ketika mereka menjadi pembawa muatan bergerak setelah dibebaskan dari orbitnya di sekitar inti.

T: Apa yang terjadi ketika elektron mencapai energi yang lebih tinggi?

J: Ketika elektron mencapai energi yang lebih tinggi, mereka dapat melompati penghalang energi yang diciptakan oleh celah pita dan menjadi elektron bebas yang dapat bergerak bebas di dalam bahan padat.

T: Apakah semua zat padat adalah isolator atau semikonduktor?

J: Tidak semua padatan adalah isolator atau semikonduktor; beberapa mungkin konduktor jika pita valensi dan konduksinya tumpang tindih, menghasilkan celah pita yang sangat kecil atau tidak ada sama sekali.