Bandas de Energía en Cristales

De acuerdo con la teoría de la estructura atómica de Neil Bohr, todos los átomos se encuentran con niveles de energía discretos alrededor de su núcleo central (más sobre esto se puede encontrar en el artículo “Niveles de Energía Atómica”). Ahora, consideremos el caso en el que dos o más de estos átomos se colocan cerca uno del otro. En este caso, la estructura de sus niveles de energía discretos se transforma en una estructura de bandas de energía. Es decir, en lugar de niveles de energía discretos, se pueden encontrar bandas de energía discretas. La causa detrás de la formación de tales bandas de energía en cristales es la interacción mutua entre los átomos, que es resultado de las fuerzas electromagnéticas que actúan entre ellos.
La figura 1 muestra un arreglo típico de estas bandas de energía. Aquí, la banda de energía 1 puede pensarse como análoga al nivel de energía E1 de un átomo aislado y la banda de energía 2 al nivel E2 y así sucesivamente.

Esto es equivalente a decir que los electrones más cercanos al núcleo de los átomos interactuantes constituyen la banda de energía 1, mientras que aquellos en sus órbitas externas correspondientes resultan en bandas de energía más altas.

En realidad, cada una de estas bandas consta de múltiples niveles de energía que están muy estrechamente espaciados.

A partir de la figura, es evidente que el número de niveles de energía que aparecen en una banda de energía particular aumenta con el aumento de la banda de energía considerada, es decir, la tercera banda de energía es más amplia que la segunda, que a su vez se ve más amplia en comparación con la primera. A continuación, el espacio entre cada una de estas bandas se llama banda prohibida o brecha de banda (Figura 1). Además, todos los electrones presentes dentro del cristal están obligados a estar en alguna de las bandas de energía. Esto significa que los electrones no pueden encontrarse en la región de la brecha de banda de energía.

Tipos de Bandas de Energía

Las bandas de energía en un cristal pueden ser de varios tipos. Algunas de ellas estarán completamente vacías, por lo que se llaman bandas de energía vacías, mientras que otras estarán completamente llenas y, por lo tanto, se denominan bandas de energía llenas. Generalmente, las bandas de energía llenas serán los niveles de energía más bajos que se encuentran cerca del núcleo del átomo y no poseen electrones libres, lo que significa que no pueden contribuir a la conducción. También existe otro conjunto de bandas de energía que pueden ser una combinación de bandas de energía vacías y llenas, llamadas bandas de energía mixtas.
No obstante, en el campo de la electrónica, se está particularmente interesado en el mecanismo de conducción. Como resultado, aquí, dos de las bandas de energía ganan extrema importancia. Estas son

Banda de Valencia

Esta banda de energía comprende electrones de valencia (electrones en la órbita más externa de un átomo) y puede estar completamente o parcialmente llena. A temperatura ambiente, esta es la banda de energía más alta que contiene electrones.

Banda de Conducción

La banda de energía más baja que generalmente no está ocupada por los electrones a temperatura ambiente se llama banda de conducción. Esta banda de energía comprende electrones que están libres de la fuerza atractiva del núcleo del átomo.
En general, la banda de valencia es una banda con menor energía en comparación con la banda de conducción y, por lo tanto, se encuentra debajo de la banda de conducción en el diagrama de bandas de energía (Figura 2). Los electrones en la banda de valencia están débilmente unidos al núcleo del átomo y saltan a la banda de conducción cuando el material se excita (por ejemplo, térmicamente).

Importancia de las Bandas de Energía

Es bien sabido que la conducción a través de los materiales se produce solo por los electrones libres presentes en ellos. Este hecho puede reformularse en términos de la teoría de las bandas de energía como “solo los electrones presentes en la banda de conducción contribuyen al mecanismo de conducción”. Como resultado, uno puede clasificar los materiales en diferentes categorías observando su diagrama de bandas de energía.
Por ejemplo, digamos que el diagrama de bandas de energía muestra una considerable superposición entre las bandas de valencia y de conducción (Figura 3a), entonces, esto significa que el material tiene abundantes electrones libres, debido a lo cual puede considerarse un buen conductor de electricidad, es decir, un metal.

Por otro lado, si tenemos un diagrama de bandas de energía en el que hay una gran brecha entre las bandas de valencia y de conducción (Figura 3b), esto significa que es necesario proporcionar al material una gran cantidad de energía para obtener una banda de conducción llena. En ocasiones, esto puede ser difícil o incluso prácticamente imposible. Esto dejaría la banda de conducción sin electrones, por lo que el material no podrá conducir. Por lo tanto, estos tipos de materiales serían aislantes.
Ahora, supongamos que tenemos un material que muestra una ligera separación entre las bandas de valencia y de conducción, como se muestra en la Figura 3c. En este caso, se pueden hacer que los electrones en la banda de valencia ocupen la banda de conducción proporcionándoles una pequeña cantidad de energía. Esto significa que, aunque estos materiales son generalmente aislantes, pueden convertirse en conductores excitándolos externamente. Por lo tanto, estos materiales se llamarán semiconductores.

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