Bande di energia nei cristalli

Secondo la teoria della struttura atomica di Neil Bohr, tutti gli atomi si trovano ad avere livelli energetici discreti intorno al loro nucleo centrale (per maggiori informazioni, vedere l'articolo “Livelli Energetici Atomici”). Ora, consideriamo il caso in cui due o più di questi atomi siano posti vicini tra loro. In questo caso, la struttura dei loro livelli energetici discreti si trasforma in una struttura a bande energetiche. Cioè, al posto di livelli energetici discreti, si possono trovare bande energetiche discrete. La causa alla base della formazione di tali bande energetiche nei cristalli è l'interazione reciproca tra gli atomi, che è il risultato delle forze elettromagnetiche che agiscono tra di loro.
La Figura 1 mostra un tipico arrangiamento di tali bande energetiche. Qui, la banda energetica 1 può essere pensata come analoga al livello energetico E1 di un atomo isolato e la banda energetica 2 al livello E2 e così via.

Questo è equivalente a dire che gli elettroni più vicini al nucleo degli atomi interagenti costituiscono la banda energetica 1, mentre quelli nelle loro orbite esterne corrispondenti danno luogo a bande energetiche superiori.

In realtà, ciascuna di queste bande comprende molti livelli energetici molto ravvicinati.

Dalla figura, è evidente che il numero di livelli energetici che appaiono in una particolare banda energetica aumenta con l'aumento della banda energetica considerata, cioè la terza banda energetica è più ampia della seconda, che a sua volta è più ampia rispetto alla prima. Successivamente, lo spazio tra ciascuna di queste bande viene chiamato banda proibita o gap di banda (Figura 1). Inoltre, tutti gli elettroni presenti all'interno del cristallo sono costretti a trovarsi in una delle bande energetiche. Ciò significa che gli elettroni non possono trovarsi nella regione del gap di banda.

Tipi di Bande Energetiche

Le bande energetiche in un cristallo possono essere di vari tipi. Alcune di esse saranno completamente vuote, per cui vengono chiamate bande energetiche vuote, mentre altre saranno completamente piene e quindi nominate bande energetiche piene. Di solito, le bande energetiche piene saranno i livelli energetici inferiori che si trovano più vicini al nucleo dell'atomo e non possiedono elettroni liberi, il che significa che non possono contribuire alla conduzione. Esiste anche un altro insieme di bande energetiche, che potrebbe essere una combinazione di bande energetiche vuote e piene, chiamate bande energetiche miste.
Tuttavia, nel campo dell'elettronica, si è particolarmente interessati al meccanismo di conduzione. Di conseguenza, qui, due delle bande energetiche acquisiscono un'importanza estrema. Queste sono

Banda di Valenza

Questa banda energetica comprende elettroni di valenza (elettroni nell'orbita più esterna di un atomo) e può essere completamente o parzialmente riempita. A temperatura ambiente, questa è la banda energetica più alta che comprende elettroni.

Banda di Conduzione

La banda energetica inferiore che è generalmente non occupata dagli elettroni a temperatura ambiente viene chiamata banda di conduzione. Questa banda energetica comprende elettroni che sono liberi dalla forza attrattiva del nucleo dell'atomo.
In generale, la banda di valenza è una banda con energia inferiore rispetto alla banda di conduzione e pertanto si trova sotto la banda di conduzione nel diagramma delle bande energetiche (Figura 2). Gli elettroni nella banda di valenza sono legati in modo debole al nucleo dell'atomo e saltano nella banda di conduzione quando il materiale viene eccitato (ad esempio, termicamente).

Importanza delle Bande Energetiche

È noto che la conduzione attraverso i materiali è portata avanti solo dagli elettroni liberi presenti in essi. Questo fatto può essere riformulato in termini di teoria delle bande energetiche come "gli elettroni presenti nella banda di conduzione sono gli unici che contribuiscono al meccanismo di conduzione". Di conseguenza, si possono classificare i materiali in diverse categorie guardando il loro diagramma delle bande energetiche.
Ad esempio, se il diagramma delle bande energetiche mostra un sovrapposizione considerevole tra la banda di valenza e quella di conduzione (Figura 3a), ciò significa che il materiale ha abbondanti elettroni liberi, per cui può essere considerato un buon conduttore elettrico, cioè un metallo.

D'altra parte, se abbiamo un diagramma di bande energetiche in cui c'è un grande divario tra la banda di valenza e quella di conduzione (Figura 3b), ciò significa che è necessario fornire al materiale una grande quantità di energia per ottenere una banda di conduzione piena. A volte, ciò può essere difficile o addirittura praticamente impossibile. Questo lascerà la banda di conduzione priva di elettroni, per cui il materiale non sarà in grado di condurre. Pertanto, questi tipi di materiali sarebbero isolanti.
Ora, supponiamo di avere un materiale che mostra una leggera separazione tra la banda di valenza e quella di conduzione, come mostrato nella Figura 3c. In questo caso, si possono far occupare la banda di conduzione dagli elettroni nella banda di valenza fornendo una piccola quantità di energia. Ciò significa che, sebbene questi materiali siano generalmente isolanti, possono essere convertiti in conduttori eccitandoli esternamente. Pertanto, questi materiali verranno chiamati semiconduttori.

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