Bandas de energía en los sólidos
Un sólido está formado por un gran número de átomos (N) cercanos entre sí. Cuando éstos se aproximan, los niveles de energía de cada átomo se ven influenciados por los otros átomos, de manera que el nivel de energía de uno particular se dividirá en N niveles, formando una banda.
La banda de energía más alta que contiene electrones es la banda de valencia, que no siempre está llena de electrones. La banda más baja en la que existen estados no ocupados es la banda de conducción, mientras que un espacio energético entre bandas se denomina banda energética prohibida.
Según la separación entre estas bandas, o el numero de electrones en la de valencia podemos distinguir los sólidos en conductores, aislantes o semiconductores:
La banda de energía más alta que contiene electrones es la banda de valencia, que no siempre está llena de electrones. La banda más baja en la que existen estados no ocupados es la banda de conducción, mientras que un espacio energético entre bandas se denomina banda energética prohibida.
Según la separación entre estas bandas, o el numero de electrones en la de valencia podemos distinguir los sólidos en conductores, aislantes o semiconductores:
Conductores:
La banda de valencia está parcialmente llena, por lo que existen muchos estados energéticos vacíos donde los electrones pueden excitarse
Aislantes:
La banda de valencia está completamente llena, y además, existe un gran intervalo prohibido entre ésta y la siguiente banda que contiene estados energéticos vacíos (la banda de conducción), por lo que los electrones no pueden excitarse hacia otro estado.
Semiconductores:
La banda de valencia está completamente llena, pero, a diferencia de los aislantes, el intervalo prohibido es muy pequeño, posibilitando que los electrones puedan a excitarse hacia otro estado, de modo que a temperaturas bajas, un semiconductor actuará como aislante, pero a temperaturas altas, actuará como un conductor.
Conductores, Aislantes y Semiconductores.
La Energía de Fermi es la energía del nivel más alto ocupado por un sistema cuántico a temperatura cero.
Conductores:
Un conductor se caracteriza porque no existe la banda prohibida entre la banda de conducción y la banda de valencia. Estas dos bandas son contiguas o se superponen. Por este motivo los electrones requieren poca energía para pasar de Bv a Bc, Al aplicar un campo eléctrico o aumentar la temperatura del conductor los electrones adquieren la suficiente energía para pasar a la banda de conducción. Se deduce que el nivel de Fermi está en la banda de conducción.
Por otro lado, un aumente de la temperatura para facilitar el salto de los electrones y, por tanto, aumentar la conductividad, también produce un incremente en la agitación térmica de átomos y electrones aumentando los choques entre éstos, y, por tanto, aumentando la resistividad del material.
En general un buen conductor se caracteriza por poseer una densidad alta de portadores de carga y muchos niveles ocupados en la banda de conducción.
Por otro lado, un aumente de la temperatura para facilitar el salto de los electrones y, por tanto, aumentar la conductividad, también produce un incremente en la agitación térmica de átomos y electrones aumentando los choques entre éstos, y, por tanto, aumentando la resistividad del material.
En general un buen conductor se caracteriza por poseer una densidad alta de portadores de carga y muchos niveles ocupados en la banda de conducción.
Aisladores o dieléctricos:
Se caracterizan porque a 0 K tienen la banda de valencia completamente llena mientras que la de conducción está vacía y, además, la banda prohibida tiene un ancho de aproximadamente, 10 eV. A temperatura ambiente, la energía extra de origen térmico que poseen los electrones de valencia es del orden de 0,03 eV, por lo que no tiene la energía suficiente para saltar a la banda de conducción. Como resultado, se concluye que existen pocos electrones excitados ocupando los niveles de Bc. La energía de Fermi se encuentra en medio de la banda prohibida. Un aislador se caracteriza por una densidad casi nula de portadores de carga y una banda de conducción vacía.
Semiconductores:
Al aumentar la temperatura, los electrones adquieren energía térmica y ayudados por la energía que puede proporcionarles un campo eléctrico, adquieren la siguiente energía para saltar a la banda de conducción y aumentar la densidad d portadores de carga. Se deduce que la energía de Fermi se encuentra en medio de la banda prohibida. Además, la conductividad en los semiconductores depende en gran medida de la temperatura y aumenta rápidamente con T (Al revés que en los metales donde un aumento de la temperatura resulta un aumento de la resistividad.)
En resumen, un semiconductor se caracteriza por una densidad intermedia de portadores de carga y una banda prohibida estrecha. La conductividad del semiconductor aumenta si se le proporciona la suficiente energía por cualquier método, de tal forma que los electrones de la banda de valencia salten a la banda de conducción.
Enrique Contreras Bernabe
Gema Garcia Olaiz
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