Diferencia entre brechas de energía de metal y semiconductor.

Los electrones son fermiones, lo que significa que dos electrones no pueden tener exactamente el mismo estado. Este enunciado se llama Principio de Exclusión de Pauli .

Cada átomo tiene niveles discretos de energía que pueden estar ocupados por electrones (de hecho, la declaración correcta será que los electrones en el átomo pueden tener valores discretos de energía potencial). Estos niveles discretos de energía potencial representan los orbitales del átomo .

Imagina un átomo siendo arrancado de todos sus electrones (un núcleo). Cuando el primer electrón regresa al átomo, ocupa el estado menos energético disponible. Cuando el segundo electrón regresa al átomo, no puede tener el mismo estado que el primero. Parece que este electrón debe ocupar el segundo nivel de energía más bajo, sin embargo, los electrones tienen "giro". Dos electrones pueden ocupar el mismo nivel de energía en el átomo si tienen diferentes espines (por lo tanto, su estado no es el mismo). Esta es la razón por la cual el orbital más bajo puede acomodar dos electrones, uno con "giro hacia arriba" y otro con "giro hacia abajo".

No discutiremos por qué el segundo orbital puede representarse como cuatro suborbitales y puede acomodar un total de 8 electrones; esto requiere un análisis mecánico cuántico que no está directamente relacionado con su pregunta.

Ahora, suponga que acerca dos átomos de Na. Tienen exactamente el mismo número de electrones en exactamente los mismos orbitales. Sin embargo, los orbitales de no valencia se llenan con el número máximo de electrones que se adaptan a todos los estados electrónicos permitidos en los átomos. Esto debería conducir a la existencia de pares de electrones que tengan exactamente los mismos estados en estos átomos, ¿verdad? No, el principio de exclusión de Pauli no se rompe aquí. Lo que sucede es que, debido a las interacciones de los electrones, cada orbital se divide : los orbitales correspondientes en estos átomos cambian un poco sus energías, lo que lleva a la creación de dos orbitales que tienen energías ligeramente diferentes. La diferencia entre las energías de los nuevos orbitales se llama energía covalente .

Cuando agrega un tercer átomo a los dos existentes, los orbitales se dividen una vez más y la energía covalente se reduce. El proceso continúa con cada átomo adicional. En el momento en que tiene un grupo macroscópico de átomos de Na, cada orbital se dividió una gran cantidad de veces y la energía covalente se volvió extremadamente pequeña: los niveles de energía de los orbitales se volvieron indistinguibles entre sí (la separación está muy por debajo del límite de medición de cualquier orbital existente). técnica).

En este caso, no hay más razón para tratar cada nivel de energía alterado de un orbital en particular por separado, y la notación de "bandas" es útil. La banda de energía representa todas las energías (inicialmente) del mismo orbital. Los electrones pueden transitar libremente entre niveles de energía en la misma banda.

Se forman bandas para cada orbital del elemento. El número de bandas es igual al número de orbitales en el átomo elemental de Na.

El principio de exclusión de Pauli todavía se aplica, por lo tanto, el número de electrones en una sola banda tiene un límite superior. Los electrones tienden a ocupar primero las bandas de menor energía. Cuando no hay más estados electrónicos en una banda, cualquier electrón adicional ocupará la siguiente banda de energía.

El nivel de energía de los electrones más energéticos en un material (material, ya no átomo) se llama nivel de Fermi (esta definición es un poco simplificada, pero correcta en general). Todos los estados electrónicos por debajo del nivel de Fermi estarán ocupados por electrones, y todos los estados por encima estarán vacíos.

La banda de mayor energía que está completamente llena de electrones se llama banda de valencia . La banda de energía más baja que tiene estados electrónicos desocupados se llama Banda de Conducción .

La última información que necesitamos para comprender la distinción entre conductores, semiconductores y aislantes es que una banda de energía que está llena de electrones (la banda de valencia es una de ellas) no puede transportar corriente (es decir, los electrones en esta banda no puede contribuir al flujo de corriente). La explicación de esto es nuevamente un poco complicada, por lo tanto, simplemente dé por sentado este hecho (y puede encontrar información adicional en la Web). La banda completamente vacía tampoco puede contribuir a la corriente porque no hay electrones que puedan ganar energía en absoluto.

Conductores

Los conductores se caracterizan por la superposición de bandas de valencia y conducción (dicho de otro modo: el nivel de Fermi se encuentra dentro de la banda de conducción de los conductores, y esta banda está parcialmente llena de electrones). Los electrones de valencia pueden transitar libremente a estados de mayor energía en la banda de conducción, por lo tanto, el voltaje aplicado provocará su deriva: corriente eléctrica.

aisladores

Los aisladores se caracterizan por el nivel de Fermi que se encuentra entre la valencia y la banda de conducción. Por lo tanto, la banda de valencia está llena y sus electrones no pueden contribuir a la corriente. Por lo tanto, la banda de conducción está vacía y no hay electrones que puedan contribuir a la corriente.

¿Significa esto que los aisladores no pueden conducir corriente en absoluto? Bueno no. Significa que si desea ver el flujo de corriente en el aislador, debe transferir una gran cantidad de energía a los electrones para que pasen de la banda de valencia a la banda de conducción (la separación energética entre estas bandas se denomina banda prohibida ) .

semiconductores

Los semiconductores tienen la misma estructura de banda que los aisladores, con el nivel de Fermi dentro del espacio de banda. La única diferencia es que la brecha de banda de los semiconductores es relativamente pequeña, lo que permite transiciones de electrones de baja energía desde la banda de valencia a las bandas de conducción. La energía para esta transición puede obtenerse de energía electrostática, energía óptica, energía térmica, etc.

Sí, los semiconductores son solo malos aislantes :)

Espero que esto aclare el concepto de bandas de energía.