La teoría de bandas explica las diferencias entre conductores, aislantes y semiconductores al dibujar las bandas de energía disponibles para los electrones en estos materiales. En los aislantes existe una gran brecha entre las bandas de valencia y conducción, mientras que en los conductores estas bandas se superponen. Los semiconductores tienen una pequeña brecha que los electrones pueden superar térmicamente o mediante dopaje, aumentando enormemente su conductividad.

1. Teoría de Bandas en Sólidos
Una forma útil de visualizar la diferencia
entre conductores, aislantes y semiconductores, es dibujar las energías
disponibles de los electrones en el material. En lugar de tener energías
discretas como en el caso de átomos libres, los estados de energía disponibles
forman bandas. La existencia de electrones en la banda de conducción, es
crucial para el proceso de conducción. En los aislantes, los electrones de la
banda de valencia están separados de la banda de conducción, por una banda
prohibida grande. En los conductores como los metales la banda de valencia se
superpone con la banda de conducción, y en los semiconductores existe una
banda prohibida suficientemente pequeña entre las bandas de valencia y
conducción, que los electrones pueden saltarla por calor u otra clase de
excitación. Con tales bandas prohibidas pequeñas, la presencia de un pequeño
porcentaje de material dopante, aumenta la conductividad de forma
espectacular.
Un parámetro importante en la teoría de banda es el nivel de Fermi, el máximo
de los niveles de energía de electrones disponibles a bajas temperaturas. La
posición del nivel de Fermi con relación a la banda de conducción es un factor
fundamental en la determinación de las propiedades eléctricas.
Vista Detallada de las
Bandas
Dependencia de la Banda Prohibida del
Espaciamiento Interatómico
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2. Bandas de Energía en Sólidos
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Teoría de Bandas Mas Detalles sobre el Diagrama
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Comentarios sobre las Bandas de
Energía
Dependencia de la Banda Prohibida del Espaciamiento Interatómico
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3. Bandas de Energía en Aislantes
La mayoría de las sustancia sólidas
son aislantes, y en términos de la teoría de
bandas de sólidos esto implica, que hay un
gran espacio prohibido entre las energías de
los electrones de valencia, y la energía a la
cual se pueden mover los electrones
libremente por el material (la banda de
conducción).
El vidrio es un material aislante que puede
ser transparente a la luz visible, por razones
estrechamente relacionadas con su naturaleza
como aislante eléctrico. Los fotones de luz
visible no tienen suficiente energía
cuántica para saltar la banda prohibida, y
levantar los electrones hasta un nivel de
energía disponible en la banda de conducción.
Las propiedades de visibilidad del vidrio
también puede dar una idea de los efectos del
"dopaje" en las propiedades de los sólidos. Un
porcentaje muy pequeño de átomos de
impurezas en el vidrio, puede darle color al
proporcionarle los niveles específicos de
energía disponibles, que absorben ciertos
colores de la luz visible. Por ejemplo, el mineral
de rubíes (corindón), es un óxido de aluminio
con una pequeña cantidad (alrededor de
0,05%) de cromo, el cual le dá su característico
color rosado o rojo, por la absorción de la luz
verde y azul.
Mientras que el dopaje de aislantes puede
cambiar drásticamente sus propiedades
ópticas, no es suficiente para superar la gran
brecha de banda para hacerlos buenos
conductores de electricidad. Sin embargo,
el dopado de semiconductores tiene un efecto
mucho más acentuado en su conductividad
eléctrica, y es la base para la electrónica de
estado sólido.
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4. Bandas de Energía en
Semiconductores
En los semiconductores intrínsecos como
el silicio y el germanio, el nivel de Fermi está
esencialmente a mitad de camino entre las
bandas de valencia y conducción. Aunque no
ocurre conducción a 0ºK, a temperaturas
superiores un número finito de electrones pueden
alcanzar la banda de conducción y proporcionar
algo de corriente. En un semiconductor dopado,
se agregan niveles de energía extras.
El aumento de la conductividad con la
temperatura, se puede modelar en términos de
la función Fermi, la cual, permite calcular
la población de la banda de conducción.
Teoría de Bandas en
Sólidos
Espaciamiento de Bandas en
Semiconductores
Mostrar el Efecto de las
Impurezas
Bandas de Energía
del Silicio
Bandas de Energía del
Germanio
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Bandas de Energía en Conductores
En términos de la teoría de bandas en
sólidos, los metales son únicos como
buenos conductores de la electricidad. Esto
puede verse como el resultado de que
sus electrones de valencia están
esencialmente libres. En la teoría de
bandas, esto se dibuja como una
superposición de la banda de valencia con
la banda de conducción, para que al menos
una fracción de los electrones de valencia
puedan moverse a través del material.
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5. Bandas de Energía del Silicio
A temperatura finita, el número de electrones que alcanzan la banda de
conducción y contribuyen a la corriente se puede modelar con la función de
Fermi. Esa corriente es pequeña comparada con la de los semiconductores
dopados bajo las mismas condiciones.
Comparar con el Germanio
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Germanium Energy Bands
A temperatura finita, el número de electrones que alcanzan la banda de
conducción y contribuyen a la corriente se puede modelar con la función de
Fermi. Esa corriente es pequeña comparada con la de los semiconductores
dopados bajo las mismas condiciones.