¿Qué es la teoría de bandas de energía?

Los electrones de un átomo aislado están unidos al núcleo y solo pueden tener distintos niveles de energía. Sin embargo, cuando un gran número de átomos, digamos, se acercan entre sí para formar un sólido, cada nivel de energía del átomo aislado se divide en N subniveles, llamados estados, bajo la acción de las fuerzas ejercidas por otros átomos. en el sólido. Estos estados de energía permisibles son discretos pero tan poco espaciados que parecen formar una banda de energía continua. Entre dos bandas de energía permisibles consecutivas, hay una disposición de estados de energía que no pueden ser ocupados por electrones. Estos se denominan estados de energía prohibida y su rango se denomina brecha de energía prohibida.

Los electrones en la capa más externa de un átomo se denominan electrones de valencia y la banda de energía que ocupan estos electrones se conoce como banda de valencia. Obviamente, es la banda ocupada más alta. Puede estar completamente lleno o parcialmente lleno de electrones y nunca puede estar vacío. La banda por encima de la banda de valencia se llama banda conductora. En la banda conductora, los electrones se mueven libremente y conducen la corriente eléctrica a través de los sólidos. Es por eso que los electrones que ocupan esta banda se conocen como electrones conductores o electrones libres. Cualquier electrón que abandone la banda de valencia es acomodado por esta banda. Puede estar vacío o parcialmente lleno de electrones. Las bandas por debajo de la banda de valencia normalmente están completamente llenas y, como tales, no juegan ningún papel en el proceso de conducción.

Por lo tanto, al discutir la conductividad eléctrica, consideraremos solo las bandas conductoras y de valencia. Los aisladores son aquellos materiales en los que los electrones de valencia están unidos muy estrechamente a sus átomos y no están libres. En términos de bandas de energía, significa que un aislante tiene una banda de conducción vacía, una banda de valencia completa y una gran brecha de energía entre ellas.
Los conductores son aquellos que tienen muchos electrones libres para la conducción eléctrica. En términos de bandas de energía, significa que los conductores son aquellos materiales en los que las bandas de valencia y conducción se superponen en gran medida entre sí.

Según la teoría de la banda de energía, los niveles de energía se dividen en muchos niveles muy próximos que definen una banda. Hay varias bandas, pero la mayoría están completamente llenas o vacías. Los dos en el límite entre lleno y vacío, determinan el comportamiento de los aisladores, metales y semiconductores.

A temperatura cero, los niveles se llenan con electrones hasta la energía de Fermi, por encima de la cual todos los niveles están vacíos. Si el nivel de Fermi está en la parte superior de una banda, el material es un aislante y las bandas rellenas se denominan bandas de valencia. Si ese nivel está por encima del fondo de una banda, narra una "banda de conducción" que está poblada por electrones que pueden moverse libremente.