Bandas de enerxía nos cristais

Segundo a teoría de Neil Bohr sobre a estrutura atómica, todos os átomos teñen niveis de enerxía discretos arredor do seu núcleo central (pode atoparse máis información sobre isto no artigo “Niveis de Enerxía Atómica”). Agora, consideremos o caso no que dous ou máis átomos así están colocados moi próximos entre si. Neste caso, a estrutura dos seus niveis de enerxía discretos transformase en unha estrutura de bandas de enerxía. Isto é, no lugar de niveis de enerxía discretos, pódense atopar bandas de enerxía discretas. A causa da formación destas bandas de enerxía nos cristais é a interacción mútua entre os átomos, que é o resultado das forzas electromagnéticas que actúan entre eles.
A figura 1 mostra unha disposición típica de tales bandas de enerxía. Aquí, a banda de enerxía 1 pode pensarse como análoga ao nivel de enerxía E1 dun átomo aislado e a banda de enerxía 2 ao nivel E2 e así sucesivamente.

Isto é equivalente a dicir que os electróns máis próximos ao núcleo dos átomos interactuantes constitúen a banda de enerxía 1, mentres que os dos seus correspondentes órbitas externas resultan en bandas de enerxía superiores.

Na realidade, cada unha destas bandas consta de múltiples niveis de enerxía que están moi próximos entre si.

A partir da figura, é evidente que o número de niveis de enerxía que aparecen en unha banda de enerxía específica aumenta co aumento da banda de enerxía considerada, é decir, a terceira banda de enerxía é máis ampla que a segunda, que, por outra parte, está vista como máis ampla cando se compara coa primeira. Seguidamente, o espazo entre cada unha destas bandas chámase banda prohibida ou brecha de banda (Figura 1). Ademais, todos os electróns presentes dentro do cristal están forzados a estar en calquera unha das bandas de enerxía. Isto significa que os electróns non poden estar na rexión de brecha de banda.

Tipo de Bandas de Enerxía

As bandas de enerxía nun cristal poden ser de varios tipos. Algúns delas estarán completamente baleiras, polo que chámanse bandas de enerxía baleiras, mentres que outros estarán completamente cheas e, polo tanto, chamáronse bandas de enerxía cheas. Xeralmente, as bandas de enerxía cheas serán os niveis de enerxía inferiores que están máis próximos ao núcleo do átomo e non posúen electróns libres, o que significa que non poden contribuír para a conducción. Tamén existe outro conxunto de bandas de enerxía que poden ser unha combinación de bandas de enerxía baleiras e cheas, chamadas bandas de enerxía mixtas.
Non obstante, no campo da electrónica, interesa particularmente o mecanismo de conducción. Como resultado, aquí, dúas das bandas de enerxía adquiriron extrema importancia. Estas son

Banda de Valencia

Esta banda de enerxía comprende electróns de valencia (electróns na órbita máis externa dun átomo) e pode estar completamente ou parcialmente chea. A temperatura ambiente, esta é a banda de enerxía máis alta que contén electróns.

Banda de Conducción

A banda de enerxía máis baixa que xeralmente non está ocupada por electróns a temperatura ambiente chámase banda de conducción. Esta banda de enerxía comprende electróns que están libres da forza atractiva do núcleo do átomo.
En xeral, a banda de valencia é unha banda con menor enerxía en comparación coa banda de conducción e, polo tanto, está situada abaixo da banda de conducción no diagrama de bandas de enerxía (Figura 2). Os electróns na banda de valencia están débilmente ligados ao núcleo do átomo e saltan á banda de conducción cando o material está excitado (por exemplo, térmicamente).

Importancia das Bandas de Enerxía

É ben coñecido que a conducción a través dos materiais só se produce polos electróns libres presentes neles. Este feito pode reformularse en termos da teoría de bandas de enerxía como "só os electróns presentes na banda de conducción contribúen para o mecanismo de conducción". Como resultado, pode clasificarse os materiais en diferentes categorías observando o seu diagrama de bandas de enerxía.
Por exemplo, se o diagrama de bandas de enerxía mostra unha considerábel superposición entre a banda de valencia e a banda de conducción (Figura 3a), entón, significa que o material ten abundantes electróns libres, polo que pode considerarse un bo conductor eléctrico, é dicir, un metal.

Por outro lado, se temos un diagrama de bandas de enerxía no que hai unha gran separación entre a banda de valencia e a banda de conducción (Figura 3b), iso significa que é necesario proporcionar ao material unha gran cantidade de enerxía para obter unha banda de conducción chea. Ás veces, isto pode ser difícil ou incluso prácticamente imposible. Esto deixaría a banda de conducción sen electróns, polo que o material non podería conducir. Así, estes tipos de materiais serían aislantes.
Agora, supoñamos que temos un material que mostra unha leve separación entre a banda de valencia e a banda de conducción, como se mostra na Figura 3c. Neste caso, pódese facer que os electróns na banda de valencia ocupen a banda de conducción proporcionándolle unha pequena cantidade de enerxía. Isto significa que, aínda que estes materiais sexan xeralmente aislantes, poden convertirse en conductores excitándolos externamente. Polo tanto, estes materiais chamaranse semiconductores.

Declaración: Respetar el original, artículos buenos merecen ser compartidos, si hay infracción por favor contactar para eliminar.