Teoría de bandas de sólidos

La física cuántica describe los estados de los electrones en un átomo de acuerdo con el esquema cuádruple de números cuánticos . Los números cuánticos describen los estados permitidos los electrones pueden asumir en un átomo. Para usar la analogía de un anfiteatro, los números cuánticos describen cuántas filas y asientos hay disponibles. Los electrones individuales pueden describirse mediante la combinación de números cuánticos, como un espectador en un anfiteatro asignado a una fila y un asiento en particular.

Al igual que los espectadores en un anfiteatro que se mueven entre asientos y filas, los electrones pueden cambiar su estado, dada la presencia de espacios disponibles para que quepan y la energía disponible. Dado que el nivel de capa está estrechamente relacionado con la cantidad de energía que posee un electrón, los "saltos" entre los niveles de capa (e incluso subcapa) requieren transferencias de energía. Para que un electrón se mueva a una capa de orden superior, es necesario que se le dé energía adicional desde una fuente externa. Usando la analogía del anfiteatro, se necesita un aumento de energía para que una persona se mueva a una fila más alta de asientos porque esa persona debe subir a una altura mayor contra la fuerza de la gravedad. Por el contrario, un electrón que "salta" a una capa inferior cede parte de su energía, como una persona que salta a una fila inferior de asientos, y la energía gastada se manifiesta en forma de calor y sonido.

No todos los “saltos” son iguales. Los saltos entre diferentes capas requieren un intercambio sustancial de energía, pero los saltos entre subcapas o entre orbitales requieren intercambios menores.

Cuando los átomos se combinan para formar sustancias, las capas más externas, subcapas y orbitales se fusionan, lo que proporciona una mayor cantidad de niveles de energía disponibles para que los electrones asuman. Cuando hay una gran cantidad de átomos cerca unos de otros, estos niveles de energía disponibles forman una banda casi continua. donde los electrones pueden moverse como se ilustra en la Figura siguiente

Superposición de bandas de electrones en elementos metálicos.

Es el ancho de estas bandas y su proximidad a los electrones existentes lo que determina qué tan móviles serán esos electrones cuando se expongan a un campo eléctrico. En las sustancias metálicas, las bandas vacías se superponen con las bandas que contienen electrones, lo que significa que los electrones de un solo átomo pueden moverse a lo que normalmente sería un estado de nivel superior con poca o ninguna energía adicional impartida. Por lo tanto, se dice que los electrones externos están "libres" y listos para moverse con la señal de un campo eléctrico.

La superposición de bandas no ocurrirá en todas las sustancias, sin importar cuántos átomos estén cerca unos de otros. En algunas sustancias, queda una brecha sustancial entre la banda más alta que contiene electrones (la llamada banda de valencia ) y la siguiente banda, que está vacía (la llamada banda de conducción ). Consulte la figura siguiente. Como resultado, los electrones de valencia están "unidos" a sus átomos constituyentes y no pueden moverse dentro de la sustancia sin una cantidad significativa de energía impartida. Estas sustancias son aislantes eléctricos.

Separación de bandas de electrones en sustancias aislantes.

Materiales que pertenecen a la categoría de semiconductores tienen un espacio estrecho entre las bandas de valencia y conducción. Por lo tanto, la cantidad de energía requerida para motivar un electrón de valencia hacia la banda de conducción donde se vuelve móvil es bastante modesta. (Figura siguiente)

La separación de bandas de electrones en sustancias semiconductoras, (a) multitudes de átomos cercanos semiconductores todavía resultan en una banda prohibida significativa, (b) multitudes de átomos de metales cercanos como referencia.

A bajas temperaturas, hay poca energía térmica disponible para empujar los electrones de valencia a través de este espacio, y el material semiconductor actúa más como un aislante. Sin embargo, a temperaturas más altas, la energía térmica ambiental se vuelve suficiente para forzar a los electrones a cruzar el espacio y el material aumentará la conducción de la electricidad. Es difícil predecir las propiedades conductoras de una sustancia examinando las configuraciones electrónicas de sus átomos constituyentes. Aunque los mejores conductores metálicos de electricidad (plata, cobre y oro) tienen s exteriores subcapas con un solo electrón, la relación entre la conductividad y el conteo de electrones de valencia no es necesariamente consistente:

Las configuraciones de bandas de electrones producidas por compuestos de diferentes elementos desafían la asociación fácil con las configuraciones de electrones de sus elementos constituyentes.

REVISAR:

• Se requiere energía para llevar un electrón de la banda de valencia a una banda desocupada superior, una banda de conducción. Se requiere más energía para moverse entre capas, menos entre capas.
• Dado que las bandas de valencia y conducción se superponen en los metales, poca energía elimina un electrón. Los metales son excelentes conductores.
• El gran espacio entre las bandas de valencia y conducción de un aislante requiere mucha energía para eliminar un electrón. Por lo tanto, los aisladores no conducen.
• Los semiconductores tienen un pequeño espacio que no se superpone entre las bandas de valencia y conducción. Los semiconductores puros no son buenos aislantes ni conductores. Los semiconductores son semiconductores.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de conducción eléctrica en semiconductores