- Model de bandes d'energia
- Nivell de Fermi
- Semiconductors intrínsecs i extrínsecs
- Exemples de teoria de bandes aplicada
- referències
La teoria de bandes és aquella que defineix l'estructura electrònica de l'sòlid com un tot. Es pot aplicar a qualsevol tipus de sòlid, però és en els metalls on es reflecteixen les seves majors encerts. Segons aquesta teoria, l'enllaç metàl·lic resulta de l'atracció electrostàtica entre els ions carregats positivament, i els electrons mòbils a la plataforma.
Per tant, el vidre metàl·lic posseeix un "mar d'electrons", el qual pot explicar les seves propietats físiques. La imatge inferior il·lustra l'enllaç metàl·lic. Els punts morats dels electrons es deslocalitzen en un mar que envolta els àtoms metàl·lics de càrrega positiva.
El "mar d'electrons" es forma a partir de les aportacions individuals de cada àtom metàl·lic. Aquests aportacions són els seus orbitals atòmics. Les estructures metàl·liques són generalment compactes; com més compacta siguin, major seran les interaccions entre els seus àtoms.
En conseqüència, els seus orbitals atòmics se solapen per generar orbitals moleculars molt estrets en energia. El mar d'electrons no és llavors més que un gran conjunt d'orbitals moleculars amb diferents rangs d'energies. El rang d'aquestes energies componen el que es coneix com a bandes energètiques.
Aquestes bandes estan presents en qualssevol regions de l'vidre, raó per la qual se li considera com un tot, i d'allí prové la definició d'aquesta teoria.
Model de bandes d'energia
Quan l'orbital s d'un àtom metàl·lic interacciona amb el del seu veí (N = 2), es formen dos orbitals moleculars: un enllaç (franja verda) i un altre de antienlace (franja vermella fosca).
Si N = 3, es formen ara tres orbitals moleculars, dels quals el de l'mig (franja negra) és de no enllaç. Si N = 4, es formen quatre orbitals i se separen encara més el de més caràcter enllaçant i el de més caràcter antienlanzante.
El rang d'energia disponible per als orbitals moleculars es va ampliant a mesura que els àtoms metàl·lics de l'vidre aporten els seus orbitals. Això també porta com a conseqüència una disminució de l'espai energètic entre els orbitals, fins al punt que condensen en una banda.
Aquesta banda composta d'orbitals s posseeix regions de baixa energia (les de colors verds i groc) i d'alta energia (les de colors taronja i vermell). Els seus extrems energètics tenen baixa densitat; però, al centre es concentren la majoria dels orbitals moleculars (franja blanca).
Això significa que els electrons "corren més ràpid" pel centre de la banda que pels seus extrems.
Nivell de Fermi
La conductivitat elèctrica consisteix llavors de la migració d'electrons des d'una banda de valència cap a una banda de conducció.
Si la bretxa energètica entre ambdues bandes és molt gran, es té un sòlid aïllant (com passa amb B). En canvi, si aquesta bretxa és relativament petita, el sòlid és un semiconductor (en el cas de C).
Davant un increment de la temperatura, els electrons de la banda de valència adquireixen la suficient energia per a migrar cap a la banda de conducció. Això produeix com a resultat un corrent elèctric.
De fet, aquesta és una qualitat dels sòlids o materials semiconductors: a temperatura ambient són aïllants, però a altes temperatures són conductors.
Semiconductors intrínsecs i extrínsecs
Els conductors intrínsecs són aquells en què la bretxa energètica entre la banda de valència i la de conducció és prou petita perquè l'energia tèrmica permeti el pas d'electrons.
D'altra banda, els conductors extrínsecs exhibeixen canvis en les seves estructures electròniques després del dopat amb impureses, les quals augmenten la seva conductivitat elèctrica. Aquesta impuresa pot ser un altre metall o un element no metàl·lic.
Si la impuresa compta amb més electrons de valència, pot aportar una banda donadora que serveix com a pont perquè els electrons de la banda de valència creuin cap a la banda de conducció. Aquests sòlids són semiconductors de tipus n. Aquí la denominació n prové de «negatiu».
A la imatge superior la banda donadora s'il·lustra en el bloc blau just per sota de la banda de conducció (Tipus n).
D'altra banda, si la impuresa posseeix menys electrons de valència, aporta una banda acceptora, la qual escurça la bretxa energètica entre la banda de valència i la de conducció.
Els electrons primer migren cap a aquesta banda, deixant enrere "buits positius", els quals es van movent en sentit contrari.
Com aquests buits positius marquen el pas dels electrons, el sòlid o material és un semiconductor de tipus p.
Exemples de teoria de bandes aplicada
- Explica per què els metalls són brillants: els seus electrons mòbils poden absorbir radiació en un interval ampli de longituds d'ona quan salten a nivells energètics més alts. Després emeten llum, tornant a nivells més baixos de la banda de conducció.
- El silici cristal·lí és el material semiconductor més important. Si una porció de silici és dopada amb traces d'un element de el grup 13 (B, A l', Ga, In, Tl), es converteix en un semiconductor de tipus p. Mentre que si es dopa amb un element de el grup 15 (N, P, As, Sb, Bi) es converteix en un semiconductor de tipus n.
- Els díodes emissor de llum (LED) és un semiconductor de junt p n. Què vol dir? Que el material posseeix dos tipus de semiconductors, tant de la n com de l'pàg. Els electrons migren des de la banda de conducció de l'semiconductor tipus n, cap a la banda de valència de l'semiconductor tipus p.
referències
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). Cengage Learning, pàg 486-490.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició., Pàg. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
- Nau CR (2016). Band Theory of Solids. Recuperat el 28 d'abril de 2018, de: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Steve Kornic. (2011). Going from Bonds to Bands from the Chemist 's Point of View. Recuperat el 28 d'abril de 2018, de: chembio.uoguelph.ca
- Wikipedia. (2018). Extrinsic semiconductor. Recuperat el 28 d'abril de 2018, de: en.wikipedia.org
- BYJU'S. (2018). Band theory of metalls. Recuperat el 28 d'abril de 2018, de: byjus.com