Según la teoría de la estructura atómica de Neil Bohrs, todos los átomos tienen niveles discretos de energía alrededor de su núcleo central (más sobre esto se puede encontrar en el artículoNiveles de energía atómica). Ahora considere el caso en el que dos o más de esos átomos se colocan más cerca uno del otro. En este caso, la estructura de sus niveles de energía discreta se transforma en una estructura de banda de energía. Es decir, en lugar de niveles de energía discretos, se pueden encontrar bandas de energía discretas. La causa detrás de la formación de tales bandas de energía en los cristales es la interacción mutua entre los átomos que es el resultado de las fuerzas electromagnéticas que actúan entre ellos.
La figura 1 muestra una disposición típica de tales bandas de energía. Aquí la banda de energía 1 puede considerarse análoga al nivel de energía E1 de un átomo aislado y la banda de energía 2 al nivel E2 y así sucesivamente.
Esto equivale a decir que los electrones más cercanos al núcleo de los átomos que interactúan constituyen la banda energética 1 mientras que los que están en sus órbitas exteriores correspondientes dan lugar a bandas de energía más elevadas.
En realidad, cada una de estas bandas constituye múltiples niveles de energía que están muy espaciados.
De la figura se desprende que el número de niveles de energía que aparecen en una determinada banda de energía aumenta con el incremento de la banda de energía considerada, es decir, la tercera banda de energía es más amplia que la segunda, que sin embargo se considera más amplia cuando se compara con la primera. A continuación, el espacio entre cada una de estas bandas se denomina banda prohibida o brecha de banda (Figura 1). Además, todos los electrones presentes en el cristal están obligados a estar presentes en cualquiera de las bandas de energía. Este inturn significa que los electrones no se pueden encontrar en la región del hueco de la banda de energía.
Tipos de bandas de energía
Las bandas de energía en un cristal pueden ser de varios tipos. Algunas de ellas estarían completamente vacías, por lo que se denominan bandas de energía vacías, mientras que otras estarían completamente llenas, por lo que se denominan bandas de energía llenas. Por lo general, las bandas de energía llenas serán los niveles de energía más bajos que se encuentran más cerca del núcleo del átomo y no poseen ningún electrón libre, lo que significa que no pueden permitirse la conducción. También existe otro conjunto de bandas de energía que puede ser una combinación de bandas de energía vacías y llenas, llamadas bandas de energía mixta.
Sin embargo, en el campo de la electrónica uno está particularmente interesado en el mecanismo de conducción. Como resultado, aquí, dos de las bandas de energía adquieren una importancia extrema. Estas son
La banda de Valence
Esta banda de energía está compuesta por electrones de valencia (electrones en la órbita más externa de un átomo) y puede estar completa o parcialmente llena. A temperatura ambiente, esta es la banda de energía más alta que se compone de electrones.
Banda de conducción
El más bajo banda de energía que normalmente está desocupada por los electrones a temperatura ambiente se llama banda de conducción. Esta banda de energía se compone de electrones que están libres de la fuerza de atracción del núcleo del átomo.
En general, la banda de valencia es una banda con menor energía en comparación con la banda de conducción y, por lo tanto, se encuentra por debajo de la banda de conducción en el diagrama de la banda de energía (Figura 2). Los electrones de la banda de valencia están vagamente ligados al núcleo del átomo y saltan a la banda de conducción cuando el material es excitado (por ejemplo, térmicamente).
Importancia de las bandas de energía
Es bien sabido que la conducción a través de los materiales se produce sólo por los electrones libres presentes en ellos. Este hecho puede ser reestablecido en términos de la teoría de la banda de energía ya que los electrones presentes en la banda de conducción son los únicos que contribuyen al mecanismo de conducción. Como resultado, uno puede clasificar los materiales en diferentes categorías mirando su diagrama de banda de energía.
Por ejemplo, digamos que el diagrama de la banda de energía muestra un considerable solapamiento entre las bandas de valencia y de conducción (Figura 3a), Entonces, significa que el material tiene abundantes electrones libres en él, debido a lo cual puede ser considerado como un buen director de electricidad, es decir, un metal.
Por otro lado, si tenemos un banda de energía en el que hay un gran vacío entre las bandas de valencia y de conducción (Figura 3b), esto significa que hay que proporcionar al material una gran cantidad de energía para obtener la banda de conducción llena. A veces, esto puede ser difícil o incluso prácticamente imposible. Esto dejaría la banda de conducción vacía de electrones, debido a lo cual el material dejaría de conducir. Por lo tanto, este tipo de materiales sería aislantes.
Ahora, digamos que tenemos un material que muestra una ligera separación entre las bandas de valencia y de conducción como se muestra en la figura 3c. En este caso, se puede hacer que los electrones de la banda de valencia ocupen la banda de conducción proporcionando una ligera cantidad de energía. Esto significa que, aunque estos materiales suelen ser aislantes, pueden convertirse en conductores excitándolos externamente. Por lo tanto, estos materiales se llamarán semiconductores.
