magnitud

brecha de energía

La energía mínima requerida para excitar un sistema desde su estado fundamental.
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Descripción

La brecha de energía es la energía mínima requerida para excitar un sistema desde su estado fundamental, la configuración de menor energía que puede ocupar. En física, este concepto es más familiar en semiconductores y aislantes, donde la brecha de energía (o banda prohibida) separa la banda de valencia llena de la banda de conducción vacía. Determina si un material conduce electricidad, actúa como aislante o se comporta como semiconductor, y también gobierna fenómenos como el color de los materiales y el funcionamiento de transistores y celdas solares.

Historia

El concepto de la brecha de energía se desarrolló a principios del siglo XX con el advenimiento de la mecánica cuántica. La teoría de bandas de los sólidos, que explica la brecha, fue formulada por Felix Bloch y otros a finales de la década de 1920, y proporcionó la base teórica para la revolución de los semiconductores.

Cómo funciona

En un cristal, los electrones ocupan bandas de energía. La brecha de energía es la zona prohibida entre estas bandas donde no existen estados electrónicos. Para conducir electricidad, un electrón debe saltar a través de esta brecha, requiriendo una entrada de energía al menos igual al tamaño de la brecha. Si la brecha es grande, el material es un aislante; si es pequeña, es un semiconductor; si no hay brecha, es un metal. La brecha se puede medir iluminando el material y observando qué longitudes de onda se absorben.

En la práctica

Es el principio detrás de toda la electrónica moderna: los transistores, los diodos y las celdas solares dependen de la excitación controlada de electrones a través de la brecha de energía. El tamaño de la brecha también determina el color de los LED y la eficiencia de las celdas fotovoltaicas.

Dato curioso

La brecha de energía de un semiconductor no es fija; se puede ajustar cambiando la temperatura del material, la presión o añadiendo impurezas, que es como los ingenieros diseñan LED para emitir colores específicos.

Concept graph →

Fórmulas

$$E = \sqrt{(\epsilon - \mu)^2 + \Delta^2}$$
Energy of a quasiparticle in a superconductor with gap.
Qué hay en la fórmula
Evariablequasiparticle energy — energía joule
εvariablesingle-particle energy relative to chemical potential — energía joule
μvariablechemical potential — potencial químico joule
Δvariablesuperconducting gap parameter — brecha de energía joule

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