2.4: Teoría de Bandas de Sólidos

Al igual que los espectadores en un anfiteatro que se mueven entre asientos y filas, los electrones pueden cambiar sus estados, dada la presencia de espacios disponibles para que encajen, y la energía disponible. Dado que el nivel de concha está estrechamente relacionado con la cantidad de energía que posee un electrón, los “saltos” entre los niveles de concha (e incluso subcapa) requieren transferencias de energía. Si un electrón va a moverse hacia una concha de orden superior, requiere que se le dé energía adicional al electrón 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 “saltando” a una capa inferior cede parte de su energía, como una persona saltando a una fila inferior de asientos, manifestándose la energía gastada como calor y sonido.

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

Cuando los átomos se combinan para formar sustancias, las conchas, subcapas y orbitales más exteriores se fusionan, proporcionando un mayor número de niveles de energía disponibles para que los electrones asuman. Cuando grandes números de átomos están cerca uno del otro, estos niveles de energía disponibles forman una banda casi continua en la que los electrones pueden moverse como se ilustra en la Figura a continuación.

Superposición de banda electrónica 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 sustancias metálicas, las bandas vacías se superponen con 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. Así, se dice que los electrones externos son “libres”, y listos para moverse ante el señas de un campo eléctrico.

La superposición de bandas no ocurrirá en todas las sustancias, sin importar cuántos átomos estén cerca entre sí. 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). Vea la Figura a continuación. Como resultado, los electrones de valencia están “unidos” a sus átomos constituyentes y no pueden llegar a ser móviles dentro de la sustancia sin una cantidad significativa de energía impartida. Estas sustancias son aislantes eléctricos.

Separación de banda electrónica en sustancias aislantes.

Los materiales que entran dentro de la categoría de semiconductores tienen un estrecho espacio entre las bandas de valencia y conducción. Así, la cantidad de energía requerida para motivar a un electrón de valencia a la banda de conducción donde se vuelve móvil es bastante modesta. (Figura abajo)

La separación de bandas electrónicas en sustancias semiconductoras, (a) multitudes de átomos cercanos semiconductores aún resulta en una banda prohibida significativa, (b) multitudes de átomos metálicos cercanos para referencia.

A bajas temperaturas, hay poca energía térmica disponible para empujar los electrones de valencia a través de esta brecha, y el material semiconductor actúa más como aislante. Sin embargo, a temperaturas más altas, la energía térmica ambiental se vuelve suficiente para forzar los electrones a través de la brecha, y el material aumentará la conducción de electricidad.

Es difícil predecir las propiedades conductoras de una sustancia examinando las configuraciones electrónicas de sus átomos constituyentes. Aunque los mejores conductores metálicos de la electricidad (plata, cobre y oro) tienen subcubiertas externas con un solo electrón, la relación entre la conductividad y el recuento de electrones de valencia no es necesariamente consistente:

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

Revisar

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