Qu'est-ce que la théorie des bandes d'énergie ?

Les électrons d'un atome isolé sont liés au noyau et ne peuvent avoir que des niveaux d'énergie distincts. Cependant, lorsqu'un grand nombre d'atomes, par exemple, sont rapprochés les uns des autres pour former un solide, chaque niveau d'énergie de l'atome isolé se divise en N sous-niveaux, appelés états, sous l'action des forces exercées par d'autres atomes. dans le solide. Ces états d'énergie admissibles sont discrets mais si rapprochés qu'ils semblent former une bande d'énergie continue. Entre deux bandes d'énergie admissibles consécutives, il existe des états d'énergie qui ne peuvent pas être occupés par des électrons. Ceux-ci sont appelés états énergétiques interdits, et sa plage est appelée gap énergétique interdit.

Les électrons de la couche la plus externe d'un atome sont appelés électrons de valence et la bande d'énergie occupant ces électrons est appelée bande de valence. C'est évidemment la bande occupée la plus élevée. Il peut être soit complètement rempli soit partiellement rempli d'électrons et ne peut jamais être vide. La bande au-dessus de la bande de valence est appelée bande conductrice. Dans la bande conductrice, les électrons se déplacent librement et conduisent le courant électrique à travers les solides. C'est pourquoi les électrons occupant cette bande sont appelés électrons conducteurs ou électrons libres. Tout électron quittant la bande de valence est logé par cette bande. Il peut être soit vide, soit partiellement rempli d'électrons. Les bandes au-dessous de la bande de valence sont normalement complètement remplies et en tant que telles ne jouent aucun rôle dans le processus de conduction.

Ainsi, tout en discutant de la conductivité électrique, nous ne considérerons que la valence et les bandes conductrices. Les isolants sont ces matériaux dans lesquels les électrons de valence sont liés très étroitement à leurs atomes et ne sont pas libres. En termes de bandes d'énergie, cela signifie qu'un isolant a une bande de conduction vide, une bande de valence pleine et un large écart énergétique entre elles.
Les conducteurs sont ceux qui ont beaucoup d'électrons libres pour la conduction électrique. En termes de bandes d'énergie, cela signifie que les conducteurs sont les matériaux dans lesquels les bandes de valence et de conduction se chevauchent largement.

Selon la théorie des bandes d'énergie, les niveaux d'énergie se divisent en de nombreux niveaux rapprochés dont ils définissent une bande. Il existe différentes bandes, mais la plupart sont complètement remplies ou vides. Les deux à la frontière entre le plein et le vide, déterminent les comportements des isolants, des métaux et des semi-conducteurs.

A température nulle, les niveaux sont remplis d'électrons jusqu'à l'énergie de Fermi, au-dessus de laquelle tous les niveaux sont vacants. Si le niveau de Fermi est au sommet d'une bande, le matériau est un isolant et les bandes remplies sont appelées bandes de valence. Si ce niveau est au-dessus du bas d'une bande, il raconte une "bande de conduction" qui est peuplée d'électrons libres de se déplacer.