Dalam fisika benda padat dan kimia benda padat, celah pita atau celah energi, adalah suatu rentang energi dalam suatu padatan di mana tidak terdapat keadaan elektronik. Pada grafik struktur pita elektronik padatan, celah pita merujuk pada perbedaan energi (umumnya dinyatakan dalam elektronvolt) antara puncak pita valensi dan dasar pita konduksi pada isolator dan semikonduktor. Energi ini merupakan energi yang diperlukan untuk mempromosikan sebuah elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron yang berada di pita konduksi (serta lubang elektron yang tertinggal di pita valensi) dapat bergerak bebas di dalam kisi kristal dan berperan sebagai pembawa muatan untuk menghantarkan arus listrik. Konsep ini memiliki keterkaitan erat dengan celah HOMO/LUMO dalam kimia.^[1]

Jika pita valensi terisi penuh dan pita konduksi sepenuhnya kosong, maka elektron tidak dapat bergerak di dalam padatan karena tidak tersedia keadaan energi yang dapat ditempati. Ketika elektron tidak bebas bergerak di dalam kisi kristal, tidak akan dihasilkan arus listrik karena tidak ada mobilitas bersih pembawa muatan. Namun, apabila sebagian elektron berpindah dari pita valensi (yang umumnya hampir penuh) ke pita konduksi (yang umumnya hampir kosong), maka arus listrik dapat mengalir. Oleh karena itu, celah pita merupakan faktor utama yang menentukan konduktivitas listrik suatu padatan. Zat dengan celah pita besar (sering disebut celah pita “lebar”) umumnya bersifat isolator, zat dengan celah pita kecil (celah pita “sempit”) tergolong semikonduktor, sedangkan konduktor memiliki celah pita yang sangat kecil atau bahkan tidak ada sama sekali, karena pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tindih sehingga membentuk satu pita energi kontinu.

Dimungkinkan untuk menghasilkan transisi isolator–logam yang diinduksi oleh laser, yang telah diamati secara eksperimental pada beberapa sistem materi terkondensasi, seperti film tipis C₆₀,^[2] manganit terdoping,^[3] atau dalam vanadium seskuioksida V₂O₃.^[4] Fenomena tersebut merupakan kasus khusus dari peralihan logam–nonlogam yang lebih umum, yang telah dipelajari secara intensif dalam beberapa dekade terakhir.^[5] Suatu model analitik satu-dimensi untuk distorsi struktur pita yang diinduksi oleh laser telah diperkenalkan pada potensial periodik secara spasial (kosinus). Masalah ini bersifat periodik baik dalam ruang maupun waktu, dan dapat diselesaikan secara analitik dengan menggunakan kerangka bergerak Kramers–Henneberger. Solusinya dapat dinyatakan dengan bantuan fungsi Mathieu.^[6]

Dalam fisika semikonduktor

Setiap padatan memiliki struktur pita energi yang khas. Variasi dalam struktur pita ini bertanggung jawab atas beragam sifat kelistrikan yang diamati pada berbagai material. Bergantung pada dimensinya, struktur pita dan spektroskopi dapat berbeda-beda. Jenis dimensi yang dibedakan meliputi: satu dimensi, dua dimensi, dan tiga dimensi.^[7]

Pada semikonduktor dan isolator, elektron terkungkung dalam sejumlah pita energi, dan tidak dapat berada pada wilayah energi lainnya karena tidak tersedia keadaan elektronik yang diizinkan untuk ditempati. Istilah “celah pita” merujuk pada perbedaan energi antara puncak pita valensi dan dasar pita konduksi. Elektron dapat berpindah dari satu pita ke pita lainnya. Namun, agar sebuah elektron pada pita valensi dapat dipromosikan ke pita konduksi, diperlukan sejumlah energi minimum tertentu untuk terjadinya transisi tersebut. Energi yang dibutuhkan ini merupakan sifat intrinsik dari material padat tersebut. Elektron dapat memperoleh energi yang cukup untuk meloncat ke pita konduksi dengan menyerap fonon (panas) atau foton (cahaya).

Suatu semikonduktor adalah material dengan celah pita berukuran menengah, tidak nol, yang berperilaku sebagai isolator pada T = 0 K, tetapi memungkinkan terjadinya eksitasi termal elektron ke pita konduksi pada suhu yang masih berada di bawah titik leburnya. Sebaliknya, material dengan celah pita yang besar merupakan isolator. Pada konduktor, pita valensi dan pita konduksi dapat saling tumpang tindih, sehingga tidak lagi terdapat celah pita dengan wilayah keadaan elektronik yang terlarang.

Konduktivitas listrik dari semikonduktor intrinsik sangat bergantung pada besar celah pita. Satu-satunya pembawa muatan yang tersedia untuk konduksi adalah elektron yang memiliki energi termal cukup untuk tereksitasi melintasi celah pita serta lubang elektron yang tertinggal akibat terjadinya eksitasi tersebut.

Rekayasa celah pita adalah proses pengendalian atau pengubahan besar celah pita suatu material dengan mengatur komposisi paduan semikonduktor tertentu, seperti GaAlAs, InGaAs, dan InAlAs. Selain itu, dimungkinkan pula untuk membangun material berlapis dengan komposisi yang berselang-seling melalui teknik seperti epitaksi berkas molekul. Metode-metode ini dimanfaatkan dalam perancangan transistor bipolar heterosambungan (HBT), dioda laser, dan sel surya.

Perbedaan antara semikonduktor dan isolator pada dasarnya merupakan masalah konvensi. Salah satu pendekatan adalah memandang semikonduktor sebagai jenis isolator dengan celah pita yang sempit. Isolator dengan celah pita yang lebih besar, biasanya lebih dari 4 eV,^[8] tidak dianggap sebagai semikonduktor dan umumnya tidak menunjukkan perilaku semikonduktif dalam kondisi praktis. Mobilitas elektron juga berperan dalam menentukan klasifikasi informal suatu material.

Pita valensi dan konduksi

Pita valensi (valence band) dan pita konduksi (conduction band) merupakan pita energi yang paling dekat dengan aras Fermi, sehingga keduanya menentukan konduktivitas listrik suatu padatan. Pada nonlogam, pita valensi adalah rentang energi elektron tertinggi yang biasanya terisi pada suhu nol mutlak, sedangkan pita konduksi merupakan rentang terendah dari keadaan elektronik yang kosong. Pada grafik struktur pita elektronik suatu material semikonduktor, pita valensi terletak di bawah aras Fermi, sementara pita konduksi berada di atasnya.^[9]

Perbedaan antara pita valensi dan pita konduksi menjadi tidak bermakna pada logam, karena konduksi terjadi dalam satu atau lebih pita yang terisi sebagian, yang memiliki sifat gabungan dari pita valensi dan pita konduksi.^[10]

Perbandingan celah pita optik dan elektronik

Pada material dengan energi ikat eksiton yang besar, sebuah foton dapat memiliki energi yang hanya cukup untuk membentuk sebuah eksiton (pasangan elektron–lubang yang terikat), tetapi tidak cukup untuk memisahkan elektron dan lubang tersebut (yang saling tarik-menarik secara listrik). Dalam kondisi ini, terdapat perbedaan antara “celah pita optik” dan “celah pita elektronik” (atau “celah transport”). Celah pita optik merupakan ambang energi minimum agar foton dapat diserap, sedangkan celah transport adalah ambang energi untuk menghasilkan pasangan elektron–lubang yang tidak terikat satu sama lain. Celah pita optik berada pada energi yang lebih rendah dibandingkan celah transport.^[11]

Pada hampir semua semikonduktor anorganik, seperti silikon, galium arsenida, dan sejenisnya, interaksi antara elektron dan lubang sangat kecil (energi ikat eksiton sangat rendah). Oleh karena itu, celah pita optik dan celah pita elektronik pada dasarnya identik, sehingga pembedaan di antara keduanya sering diabaikan. Namun, pada beberapa sistem, termasuk semikonduktor organik dan tabung nano karbon berdinding tunggal, perbedaan ini dapat menjadi signifikan.^[12]

Referensi

Pranala luar

• Direct Band Gap Energy Calculator
• Moriarty, Philip. "Energy Gap (and what makes glass transparent?)". Sixty Symbols. Brady Haran untuk Universitas Nottingham.