Bandes d'énergie dans les cristaux

Selon la théorie de Neil Bohr sur la structure atomique, tous les atomes présentent des niveaux d'énergie discrets autour de leur noyau central (pour plus d'informations, voir l'article “Niveaux d'énergie atomiques”). Considérons maintenant le cas où deux ou plusieurs de ces atomes sont placés à proximité les uns des autres. Dans ce cas, la structure de leurs niveaux d'énergie discrets se transforme en une structure de bandes d'énergie. C'est-à-dire, au lieu de niveaux d'énergie discrets, on trouve des bandes d'énergie discrètes. La cause de la formation de telles bandes d'énergie dans les cristaux est l'interaction mutuelle entre les atomes, qui est le résultat des forces électromagnétiques agissant entre eux.
La figure 1 montre un arrangement typique de telles bandes d'énergie. Ici, la bande d'énergie 1 peut être considérée comme analogue au niveau d'énergie E1 d'un atome isolé et la bande d'énergie 2 au niveau E2 et ainsi de suite.

Cela équivaut à dire que les électrons proches du noyau des atomes en interaction constituent la bande d'énergie 1 tandis que ceux dans leurs orbites extérieures correspondantes donnent lieu à des bandes d'énergie supérieures.

Dans la réalité, chacune de ces bandes comprend de multiples niveaux d'énergie qui sont très étroitement espacés.

D'après la figure, il est évident que le nombre de niveaux d'énergie qui apparaissent dans une bande d'énergie particulière augmente avec l'augmentation de la bande d'énergie considérée, c'est-à-dire que la troisième bande d'énergie est plus large que la deuxième, qui est elle-même plus large que la première. Ensuite, l'espace entre chacune de ces bandes est appelé bande interdite ou gap (Figure 1). De plus, tous les électrons présents dans le cristal sont forcés de se trouver dans l'une de ces bandes d'énergie. Cela signifie que les électrons ne peuvent pas être trouvés dans la région du gap d'énergie.

Types de bandes d'énergie

Les bandes d'énergie dans un cristal peuvent être de différents types. Certaines d'entre elles seraient complètement vides, ce qui les fait appeler bandes d'énergie vides, tandis que d'autres seraient complètement remplies et sont donc nommées bandes d'énergie remplies. Généralement, les bandes d'énergie remplies seront les niveaux d'énergie inférieurs qui se trouvent près du noyau de l'atome et ne possèdent pas d'électron libre, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas participer à la conduction. Il existe également un autre ensemble de bandes d'énergie qui peut être une combinaison de bandes d'énergie vides et remplies, appelées bandes d'énergie mixtes.
Cependant, dans le domaine de l'électronique, on s'intéresse particulièrement au mécanisme de conduction. Par conséquent, ici, deux des bandes d'énergie gagnent une importance extrême. Ce sont

Bande de valence

Cette bande d'énergie comprend des électrons de valence (électrons dans l'orbite la plus externe d'un atome) et peut être entièrement ou partiellement remplie. À température ambiante, c'est la bande d'énergie la plus élevée qui comprend des électrons.

Bande de conduction

La bande d'énergie la plus basse qui est généralement non occupée par les électrons à température ambiante est appelée bande de conduction. Cette bande d'énergie comprend des électrons libres de la force attractive du noyau de l'atome.
En général, la bande de valence est une bande d'énergie inférieure par rapport à la bande de conduction et est donc située en dessous de la bande de conduction dans le diagramme des bandes d'énergie (Figure 2). Les électrons dans la bande de valence sont faiblement liés au noyau de l'atome et sautent dans la bande de conduction lorsque le matériau est excité (par exemple, thermiquement).

Importance des bandes d'énergie

Il est bien connu que la conduction à travers les matériaux est réalisée uniquement par les électrons libres présents dans ceux-ci. Ce fait peut être reformulé en termes de théorie des bandes d'énergie comme suit : "les électrons présents dans la bande de conduction sont les seuls qui contribuent au mécanisme de conduction". Par conséquent, on peut classer les matériaux en différentes catégories en examinant leur diagramme des bandes d'énergie.
Par exemple, disons que le diagramme des bandes d'énergie montre un chevauchement considérable entre la bande de valence et la bande de conduction (Figure 3a), cela signifie que le matériau contient un grand nombre d'électrons libres, ce qui le rend un bon conducteur électrique, c'est-à-dire un métal.

D'autre part, si nous avons un diagramme de bande d'énergie dans lequel il y a un écart important entre la bande de valence et la bande de conduction (Figure 3b), cela signifie qu'il faut fournir au matériau une grande quantité d'énergie pour obtenir une bande de conduction remplie. Parfois, cela peut être difficile ou même pratiquement impossible. Cela laisserait la bande de conduction vide d'électrons, ce qui empêcherait le matériau de conduire. Ainsi, ces types de matériaux seraient des isolants.
Maintenant, supposons que nous ayons un matériau qui montre une légère séparation entre la bande de valence et la bande de conduction, comme indiqué par la Figure 3c. Dans ce cas, on peut faire occuper la bande de conduction par les électrons de la bande de valence en fournissant une petite quantité d'énergie. Cela signifie que bien que ces matériaux soient généralement des isolants, ils peuvent être convertis en conducteurs en les excitant externement. Par conséquent, ces matériaux seront appelés semi-conducteurs.

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