Estructura de banda del silicio
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La teoría de las bandas de energía es una base para describir los procesos y efectos en los cristales sólidos bajo el impacto de un campo electromagnético. La teoría de bandas energéticas es una teoría de un electrón de valencia que se mueve en un campo de potencial periódico de una red cristalina. Los átomos individuales tienen un espectro de energía discreto, lo que significa que sólo pueden ocupar niveles de energía discretos. Parte de estos niveles de energía están llenos de electrones en estado no excitado. Una parte de estos niveles sólo puede ocuparse cuando los electrones están excitados. Los átomos emiten una cantidad de energía durante la transición de los niveles excitados a los niveles con un mínimo de energía. La figura 6 muestra el esquema de los niveles de energía en el sólido. Para un sistema de átomos iguales, la distancia entre ellos es suficiente, no hay interacción entre ellos y los niveles de energía de los electrones permanecen iguales.
Cuando un compuesto tiene varias transiciones de fase, todos los niveles de electrones de todos los átomos se desplazan entre sí, debido a la interacción de los átomos adyacentes. La atracción entre el núcleo del átomo y los electrones de los átomos adyacentes reduce la barrera de potencial, separando los electrones de los átomos adyacentes. Durante la convergencia de los átomos, sus órbitas electrónicas se superponen, y los electrones pueden moverse fácilmente de un átomo a otro sin cambiar de nivel de energía. Esta es la forma más fácil de que los electrones se muevan a través del cristal. La interacción intercambiable tiene una naturaleza cuántica y es una consecuencia del hecho de que los electrones son indistintos. En este caso no podemos decir que un electrón determinado pertenece al átomo, sino que pertenece a todos los átomos de una red cristalina.
Conductividad de la estructura de banda
La banda inferior completamente llena se llama banda de valencia y la banda superior vacía se llama banda de conducción. El hueco entre la parte superior de la banda de valencia y la inferior de la banda de conducción se denomina hueco de banda de energía. Puede ser grande, pequeña o nula dependiendo del material.
Tienen electrones de valencia. Esta banda puede estar parcial o totalmente llena de electrones. Esta banda nunca está vacía. En esta banda, los electrones no son capaces de ganar energía del campo eléctrico externo. Por lo tanto, los electrones de esta banda no contribuyen a la corriente eléctrica.
Aquí los electrones están raramente presentes. Esta banda está vacía o parcialmente llena de electrones. En esta banda, los electrones pueden ganar energía del campo eléctrico externo. Los electrones de esta banda contribuyen a la corriente eléctrica.
La separación entre la banda de valencia y la banda de conducción se conoce como brecha de energía prohibida. Para que un electrón se transfiera de la banda de valencia a la banda de conducción, se requiere energía externa, que es igual a la brecha de energía prohibida.
Flexión de la banda
Cuando empecé a pensar en ello, sentí que el problema principal era explicar cómo los electrones podían colarse por todos los iones de un metal. Mediante un análisis directo de Fourier, descubrí para mi deleite que la onda se difractaba de la onda plana de los electrones libres sólo mediante una modulación periódica. -F. Bloch
Ninguna propiedad de los sólidos varía tanto como su capacidad para conducir la corriente eléctrica y podemos verlo por la sorprendente diferencia de resistividad entre un buen conductor y un buen aislante. La resistividad eléctrica de un metal puro puede ser tan baja como 10-12 ohm-cm a una temperatura de 1 K, aparte de la posibilidad de superconductividad. La resistividad de un buen aislante puede ser de hasta 1022 ohm-cm. Este rango de 1032 puede ser el más amplio de cualquier propiedad física común de los sólidos. La existencia de las bandas de energía de los electrones en los sólidos permite entender este notable alcance.\N(^{[1]}\N)
Podemos empezar por considerar los niveles de energía de los átomos individuales cuando se juntan. Cuando los átomos están muy separados, la energía de un nivel particular es la misma para cada átomo. Los electrones de un átomo aislado ocupan orbitales atómicos, que forman un conjunto discreto de niveles de energía.Los niveles de energía permitidos en un átomo aislado suelen estar muy separados. Por ejemplo, en el hidrógeno, la menor energía permitida posible (\(E_1\) = -13,6 eV) está 10,2 eV por debajo de la siguiente más baja (\(E_2\) = -13,6 eV/4 = -3,4 eV)\(^{[2]}\).
Banda de valencia
En las sustancias gaseosas, la disposición de las moléculas no es estrecha. En los líquidos, la disposición molecular es moderada. Pero, en los sólidos, las moléculas están tan estrechamente dispuestas que los electrones de los átomos de las moléculas tienden a moverse hacia los orbitales de los átomos vecinos. De ahí que los orbitales de los electrones se solapen cuando los átomos se juntan.
Debido a la mezcla de átomos en los sólidos, en lugar de niveles de energía únicos, se formarán bandas de niveles de energía. Este conjunto de niveles de energía, que están estrechamente empaquetados, se denominan bandas de energía.
Los electrones se mueven en los átomos en determinados niveles de energía, pero la energía de los electrones de la capa más interna es mayor que la de los electrones de la capa más externa. Los electrones que están presentes en la capa más externa se denominan electrones de valencia.
Los electrones de valencia están tan poco unidos al núcleo que incluso a temperatura ambiente, pocos de los electrones de valencia abandonan la banda para quedar libres. Estos se denominan electrones libres ya que tienden a moverse hacia los átomos vecinos.
