Bandas de Energia em Cristais

De acordo com a teoria de Neil Bohr sobre a estrutura atômica, todos os átomos possuem níveis de energia discretos ao redor de seu núcleo central (mais sobre isso pode ser encontrado no artigo “Níveis de Energia Atômica”). Agora, considere o caso em que dois ou mais desses átomos são colocados próximos uns dos outros. Nesse caso, a estrutura de seus níveis de energia discretos se transforma em uma estrutura de bandas de energia. Ou seja, no lugar de níveis de energia discretos, pode-se encontrar bandas de energia discretas. A causa da formação dessas bandas de energia em cristais é a interação mútua entre os átomos, que é resultado das forças eletromagnéticas atuando entre eles.
A Figura 1 mostra um arranjo típico dessas bandas de energia. Aqui, a banda de energia 1 pode ser pensada como análoga ao nível de energia E1 de um átomo isolado e a banda de energia 2 ao nível E2 e assim por diante.

Isso é equivalente a dizer que os elétrons mais próximos do núcleo dos átomos interagentes constituem a banda de energia 1, enquanto aqueles em suas respectivas órbitas externas resultam em bandas de energia mais altas.

Na realidade, cada uma dessas bandas constitui múltiplos níveis de energia que estão muito próximos.

A partir da figura, é evidente que o número de níveis de energia que aparecem em uma banda de energia específica aumenta com o aumento da banda de energia considerada, ou seja, a terceira banda de energia é mais ampla do que a segunda, que, por sua vez, é vista como mais ampla quando comparada com a primeira. Em seguida, o espaço entre cada uma dessas bandas é chamado de banda proibida ou gap de banda (Figura 1). Além disso, todos os elétrons presentes dentro do cristal são forçados a estar em uma das bandas de energia. Isso significa que os elétrons não podem ser encontrados na região do gap de banda.

Tipos de Bandas de Energia

As bandas de energia em um cristal podem ser de vários tipos. Algumas delas estariam completamente vazias, por isso são chamadas de bandas de energia vazias, enquanto outras estariam completamente preenchidas e, portanto, são nomeadas como bandas de energia preenchidas. Geralmente, as bandas de energia preenchidas serão os níveis de energia mais baixos, que ficam mais próximos do núcleo do átomo e não possuem elétron livre, o que significa que não podem contribuir para a condução. Também existe outro conjunto de bandas de energia que pode ser uma combinação de bandas de energia vazias e preenchidas, chamadas de bandas de energia mistas.
No entanto, no campo da eletrônica, está-se particularmente interessado no mecanismo de condução. Como resultado, aqui, duas das bandas de energia ganham extrema importância. Estas são

Banda de Valência

Esta banda de energia compreende elétrons de valência (elétrons na órbita mais externa de um átomo) e pode estar completamente ou parcialmente preenchida. À temperatura ambiente, esta é a banda de energia mais alta que compreende elétrons.

Banda de Condução

A banda de energia mais baixa que geralmente não está ocupada pelos elétrons à temperatura ambiente é chamada de banda de condução. Esta banda de energia compreende elétrons que estão livres da força atrativa do núcleo do átomo.
Em geral, a banda de valência é uma banda com energia menor em comparação com a banda de condução e, portanto, é encontrada abaixo da banda de condução no diagrama de bandas de energia (Figura 2). Os elétrons na banda de valência estão fracamente ligados ao núcleo do átomo e pulam para a banda de condução quando o material é excitado (por exemplo, termicamente).

Importância das Bandas de Energia

É bem conhecido que a condução através dos materiais é realizada apenas pelos elétrons livres presentes neles. Este fato pode ser reafirmado em termos da teoria das bandas de energia como “os elétrons presentes na banda de condução são os únicos que contribuem para o mecanismo de condução”. Como resultado, pode-se classificar os materiais em diferentes categorias olhando para seu diagrama de bandas de energia.
Por exemplo, digamos que o diagrama de bandas de energia mostre uma considerável superposição entre a banda de valência e a banda de condução (Figura 3a), então, isso significa que o material possui abundantes elétrons livres, devido ao qual pode ser considerado um bom condutor de eletricidade, ou seja, um metal.

Por outro lado, se tivermos um diagrama de bandas de energia no qual há uma grande lacuna entre a banda de valência e a banda de condução (Figura 3b), isso significa que é necessário fornecer ao material uma grande quantidade de energia para obter a banda de condução preenchida. Às vezes, isso pode ser difícil ou até mesmo praticamente impossível. Isso deixaria a banda de condução sem elétrons, devido ao qual o material falhará em conduzir. Assim, esses tipos de materiais seriam isolantes.
Agora, suponhamos que tenhamos um material que mostra uma ligeira separação entre a banda de valência e a banda de condução, conforme mostrado na Figura 3c. Neste caso, pode-se fazer com que os elétrons na banda de valência ocupem a banda de condução fornecendo uma pequena quantidade de energia. Isso significa que, embora esses materiais sejam geralmente isolantes, eles podem ser convertidos para atuar como condutores ao excitá-los externamente. Portanto, esses materiais serão chamados de semicondutores.

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