Bands d'energia en cristalls

Segons la teoria de l'estructura atòmica de Neil Bohr, tots els àtoms es troben amb nivells d'energia discrets al voltant del seu nucli central (es pot trobar més informació en l'article “Nivells d'energia atòmics”). Ara considerem el cas on dos o més àtoms són col·locats propers entre si. En aquest cas, l'estructura dels seus nivells d'energia discrets es transforma en una estructura de bandes d'energia. És a dir, en lloc de nivells d'energia discrets, es poden trobar bandes d'energia discretes. La causa de la formació d'aquestes bandes d'energia en cristalls és la interacció mútua entre els àtoms, que és el resultat de les forces electromagnètiques que actuen entre ells.
La Figura 1 mostra un arreglament típic d'aquestes bandes d'energia. Aquí, la banda d'energia 1 es pot considerar anàloga al nivell d'energia E1 d'un àtom aïllat i la banda d'energia 2 al nivell E2 i així successivament.

Això equival a dir que els electrons més propers al nucli dels àtoms interactuants constitueixen la banda d'energia 1, mentre que els que estan en les seves òrbites externes corresponents resulten en bandes d'energia més altes.

En realitat, cada una d'aquestes bandes constitueix múltiples nivells d'energia que estan molt pròxims entre si.

De la figura, es veu clarament que el nombre de nivells d'energia que apareixen en una banda d'energia específica augmenta amb l'augment de la banda d'energia considerada, és a dir, la tercera banda d'energia és més ampla que la segona, que, però, es veu més ampla en comparació amb la primera. A continuació, l'espai entre cada una d'aquestes bandes s'anomena banda prohibida o gap de banda (Figura 1). Més endavant, tots els electrons presents dins del cristall són forçats a estar en qualsevol de les bandes d'energia. Això significa que els electrons no es poden trobar en la regió del gap de banda d'energia.

Tips de Bandes d'Energia

Les bandes d'energia en un cristall poden ser de diversos tipus. Algunes d'elles seran completament buides, per la qual cosa es diuen bandes d'energia buides, mentre que algunes més seran completament omplertes i, per tant, es denominen bandes d'energia omplertes. Normalment, les bandes d'energia omplertes seran els nivells d'energia més baixos que estan més a prop del nucli de l'àtom i no tenen electrons lliures, el que significa que no poden contribuir a la conducció. També existeix un altre conjunt de bandes d'energia que pot ser una combinació de bandes d'energia buides i omplertes, anomenades bandes d'energia mixtes.
No obstant això, en el camp de l'electrònica, es té un gran interès en el mecanisme de conducció. Com a resultat, aquí, dues de les bandes d'energia guanyen extrema importància. Aquestes són

Banda de València

Aquesta banda d'energia conté electrons de valència (electrons en l'òrbita més externa d'un àtom) i pot estar completament o parcialment omplerta. A temperatura ambiente, aquesta és la banda d'energia més alta que conté electrons.

Banda de Conducció

La banda d'energia més baixa que normalment no està ocupada pels electrons a temperatura ambiente s'anomena banda de conducció. Aquesta banda d'energia conté electrons que estan lliures de la força atractiva del nucli de l'àtom.
En general, la banda de valència és una banda amb energia més baixa en comparació amb la banda de conducció i, per tant, es troba per sota de la banda de conducció en el diagrama de bandes d'energia (Figura 2). Els electrons en la banda de valència estan lligats de manera frou al nucli de l'àtom i salten a la banda de conducció quan el material es desplaça (per exemple, tèrmicament).

Importància de les Bandes d'Energia

Es sap que la conducció a través dels materials només es produeix per mitjà dels electrons lliures presents en ells. Aquest fet es pot reafirmar en termes de la teoria de bandes d'energia com "els electrons presents en la banda de conducció són els únics que contribueixen al mecanisme de conducció". Com a resultat, es poden classificar els materials en diferents categories mirant el seu diagrama de bandes d'energia.
Per exemple, si el diagrama de bandes d'energia mostra una superposició considerable entre la banda de valència i la banda de conducció (Figura 3a), això significa que el material té abundants electrons lliures, per la qual cosa es pot considerar un bon conductor d'electricitat, és a dir, un metall.

D'altra banda, si tenim un diagrama de bandes d'energia en què hi ha un gran gap entre la banda de valència i la banda de conducció (Figura 3b), això significa que cal proporcionar al material una gran quantitat d'energia per tal d'obtenir una banda de conducció omplerta. A vegades, això pot ser difícil o fins i tot pràcticament impossible. Això deixaria la banda de conducció sense electrons, per la qual cosa el material no podria conduir. Així doncs, aquests tipus de materials serien aislants.
Ara, suposem que tenim un material que mostra una lleugera separació entre la banda de valència i la banda de conducció, com es mostra a la Figura 3c. En aquest cas, es poden fer que els electrons en la banda de valència ocupin la banda de conducció proporcionant una petita quantitat d'energia. Això significa que encara que aquests materials sovint siguin aislants, es poden convertir en conductors excitant-los externament. Per tant, aquests materials es diuen semiconductors.

Declaració: Respecteu l'original, els bons articles mereixen ser compartits, si hi ha alguna infracció contacteu per eliminar-lo.