Il silicio non emette luce come gli altri LED principalmente perché è un semiconduttore con bandgap indiretto. In un materiale con bandgap indiretto come il silicio, la differenza di energia (bandgap) tra la banda di valenza (dove normalmente risiedono gli elettroni) e la banda di conduzione (dove gli elettroni sono liberi di muoversi) è tale che quando gli elettroni passano dalla banda di conduzione alla banda di valenza , non emettono fotoni direttamente. Invece, l’energia viene tipicamente rilasciata sotto forma di fononi (vibrazioni quantizzate del reticolo cristallino), con conseguente emissione di calore anziché di luce. Questa proprietà rende il silicio inefficiente per generare emissione di luce direttamente dalle transizioni elettroniche, che è essenziale per il funzionamento dei LED (diodi a emissione di luce).
Il silicio non emette luce a causa della sua struttura a bande. In un semiconduttore con bandgap diretto come l’arseniuro di gallio (GaAs) o il nitruro di gallio (GaN), la differenza di energia tra la banda di conduzione e la banda di valenza è tale che quando un elettrone si ricombina con una lacuna (un posto vacante nella banda di valenza), l’energia viene emesso sotto forma di fotoni. Questo processo di ricombinazione diretta consente ai materiali con bandgap diretto di emettere luce in modo efficiente quando stimolati elettricamente, il che è fondamentale per il funzionamento dei LED. Al contrario, il bandgap indiretto del silicio non facilita l’emissione di luce efficiente dalla ricombinazione elettrone-lacuna.
Il silicio stesso non produce luce in condizioni operative normali a causa della sua natura di banda proibita indiretta. Sebbene il silicio possa emettere deboli emissioni di luce in determinate condizioni, come in strutture altamente sollecitate o a basse temperature, queste emissioni sono in genere molto deboli e inefficienti rispetto ai materiali con bandgap diretto come GaAs o GaN. Pertanto, il silicio non è pratico per l’uso nei LED o in altre applicazioni che richiedono un’emissione luminosa efficiente.
Il silicio e il germanio non sono comunemente utilizzati nei LED principalmente a causa delle loro proprietà di bandgap indiretto. I LED richiedono materiali con una banda proibita diretta per emettere luce in modo efficiente quando gli elettroni si ricombinano con le lacune. I materiali con bandgap diretto come GaAs, GaN e composti correlati sono preferiti per i LED perché possono convertire l’energia elettrica direttamente in fotoni con elevata efficienza. Il silicio e il germanio, essendo materiali con bandgap indiretto, non presentano un’emissione luminosa efficiente e pertanto non sono adatti per applicazioni LED in cui l’elevata luminosità ed efficienza sono fondamentali.
Il silicio non viene generalmente utilizzato per realizzare sorgenti ottiche come LED o diodi laser a causa della sua natura di bandgap indiretto. Come accennato in precedenza, il silicio non emette luce in modo efficiente quando gli elettroni si ricombinano con le lacune nella sua struttura cristallina. Questa inefficienza rende il silicio meno adatto per applicazioni che richiedono la generazione di luce, come LED e laser. Invece, i materiali con bandgap diretto, come GaAs, GaN e loro leghe, sono preferiti per le sorgenti ottiche perché possono emettere luce in modo efficiente e sono in grado di raggiungere l’elevata luminosità e l’affidabilità necessarie per applicazioni pratiche nell’illuminazione, nei display, nelle comunicazioni e nel rilevamento. .