Los sólidos, líquidos y gases tienen diferentes arreglos de moléculas. Se han agrupado estrechamente en sólidos de tal manera que los electrones dentro de los átomos de la molécula migran al orbital de los átomos adyacentes. La disposición molecular en los gases no es estrecha, pero es moderada en los líquidos. Como resultado, cuando los átomos se aproximan, los orbitales electrónicos se cubren parcialmente. Los niveles de bandas de energía se generan como resultado de la fusión de átomos dentro de los materiales, en lugar de niveles de energía únicos. Una banda de energía es una colección de niveles de energía que están muy juntos.
¿Qué es la banda de energía?
La definición de banda de energía establece que la cantidad de átomos en una piedra de cristal puede estar más cerca entre sí y una cantidad de electrones pueden interactuar entre sí. Los cambios en los niveles de energía de los electrones dentro de su capa pueden inducir cambios en sus niveles de energía. La característica clave de la banda de energía es que los niveles de energía de los electrones en la electrónica son estables en una amplia gama de frecuencias. Como resultado, el nivel de energía de un átomo variará en las bandas de conducción y valencia.
Formación de banda de energía
Los electrones en cada órbita de un átomo aislado tienen una cierta cantidad de energía. Sin embargo, en los sólidos, el nivel de energía de los electrones de la órbita más externa está influenciado por los átomos cercanos. Los electrones en la órbita más externa sienten una atracción atractiva del núcleo atómico más cercano o adyacente cuando dos cargas aisladas se acercan.
Debido a esto, las energías de los electrones no estarán al mismo nivel y los niveles de energía de los electrones se modificarán a un valor mayor o menor que el nivel de energía inicial del electrón. La energía de los electrones de la órbita interna, por otro lado, no se ve afectada por la existencia de átomos cercanos.
Los niveles de energía de los electrones en la misma órbita difieren. El término “banda de energía” se refiere a la agrupación de estos diversos niveles de energía.
Teoría de la banda de energía
Según la hipótesis de Bohr, la capa de cada átomo tiene una cantidad diferente de energía en diferentes niveles. El enfoque principal de esta teoría está en la comunicación de electrones entre las capas interior y exterior. Las bandas de energía se clasifican en tres categorías según la teoría de las bandas de energía, que incluyen lo siguiente.
- Banda de conducción
- Banda de valencia
- brecha prohibida
Banda de conducción
A temperatura normal, los electrones de valencia están débilmente conectados al núcleo. Algunos electrones de electrones de valencia podrán salir libremente de la banda. Debido a que fluyen hacia los átomos vecinos, estos se denominan electrones libres. Estos electrones libres, también conocidos como electrones de conducción, conducirán el flujo de corriente dentro de un conductor. La banda que incluye electrones se conoce como banda de conducción, y su energía ocupada es menor.
Banda de valencia
Aunque los electrones viajan a niveles de energía fijos dentro de los átomos, la energía de un electrón en la capa interna es mayor que la de un electrón en la capa externa. Los electrones de valencia son los electrones que se encuentran dentro de la capa exterior. Estos electrones están formados por una serie de niveles de energía que forman la banda de valencia. Esta banda tiene el nivel más alto de energía ocupada.
brecha prohibida
La brecha prohibida se define como el espacio entre las bandas de conducción y valencia. Esta es una banda a la que no se le permite existir porque le falta energía. Como resultado, no fluyen electrones en esta banda. Esta brecha permitirá que los electrones pasen del estado de valencia al de conducción.
Los electrones en la banda de valencia están fuertemente ligados al núcleo si este espacio es mayor. Por el momento, se requiere una pequeña fuerza externa para empujar los electrones fuera de esta banda, lo que es comparable a la brecha de energía prohibida. Las dos bandas, así como un espacio prohibido, se representan en el diagrama de arriba. Los semiconductores, conductores y aisladores se crean en función del tamaño del espacio.
Tipos de bandas de energía
Las bandas de energía se dividen en tres categorías:
- aisladores
- Conductores
- Semiconductores
aisladores
Los aislantes son sustancias o materiales que no conducen la electricidad y no la dejan pasar a través de ellos. La brecha de energía prohibida en los aisladores es lo suficientemente amplia como para evitar el paso de la electricidad. Los aisladores incluyen materiales como el caucho y la madera. La estructura de las bandas de energía en los aisladores se ve en el siguiente diagrama.
Los aisladores tienen las siguientes características:
- En la banda de valencia, los electrones están fuertemente enlazados o firmemente conectados a los átomos.
- En aisladores con un valor de 10 eV, la brecha de energía prohibida es lo suficientemente grande.
- La conducción puede ocurrir en algunos aisladores cuando la temperatura aumenta.
Conductores
El conductor es un tipo de material en el que la brecha de energía prohibida, como la banda de valencia, desaparece y la banda de conducción se vuelve extremadamente cercana al punto donde se superponen parcialmente. El oro, el aluminio, el cobre y el oro son los mejores ejemplos de conductores. A temperatura normal, la cantidad de electrones libres disponibles es enorme. El diagrama de bandas de energía del conductor se muestra a continuación.
La brecha de energía, que está prohibida, es una de las propiedades más importantes de los conductores. Las bandas de energía de valencia y conducción se entrelazarán. Hay muchos electrones libres disponibles para la conducción. Una vez que aumenta el número limitado de voltajes, la conducción crecerá.
Los conductores tienen las siguientes características:
- En un conductor, no existe tal cosa como un espacio de energía prohibido.
- En los conductores, la banda de valencia y la banda de conducción se superponen.
- Hay una gran cantidad de electrones libres accesibles para la transmisión de energía.
- Cuando el voltaje aumenta ligeramente, la conducción también aumenta.
- Debido a que el flujo constante de electrones se suma a la corriente producida, no hay idea de la creación de huecos.
Semiconductores
Los semiconductores son materiales o sustancias que tienen conductividad entre conductores y aislantes. La brecha de energía prohibida en los semiconductores es pequeña y la electricidad solo puede conducirse si se aplica energía externa. Los semiconductores incluyen germanio y silicio, por nombrar algunos. La estructura de las bandas de energía en los semiconductores se ve en el siguiente diagrama.
Los semiconductores tienen las siguientes características:
- En un semiconductor, la brecha de energía prohibida es mínima.
- La brecha de energía prohibida para el germanio (Ge) es de 0,7 eV, mientras que para el silicio (Si) es de 1,1 eV.
- La conductividad de los semiconductores aumenta a medida que aumenta la temperatura.
- Los semiconductores no tienen una gran conductividad ni buenas propiedades aislantes.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Cuáles son las diferencias entre conductores y aisladores? Dar instancias específicas.
Responder:
Conductores: Los materiales con mucho espacio vacío se denominan conductores y permiten una fácil conducción de la electricidad. Los metales, por ejemplo, son plata, oro y cobre.
Aislantes: Los materiales con mucha carga inmóvil son malos conductores de corriente. El plástico, el caucho y otros materiales similares son ejemplos.
Pregunta 2: Sobre la base de los diagramas de bandas de energía, escriba dos características diferenciadoras entre conductores, semiconductores y aislantes.
Responder:
La diferencia entre conductores, semiconductores y aislantes es la siguiente:
Conductores Semiconductores aisladores La banda de valencia, también conocida como banda de conducción, está parcialmente llena. A cero grados centígrados, los electrones en la banda de valencia no tienen suficiente energía para pasar a la banda de conducción. La banda de conducción está vacante mientras que la banda de valencia está completamente llena de electrones. Las bandas de valencia y conducción se cruzan.
La brecha de energía es inferior a 0 eV.
Se prohíbe el espacio entre conductores y aisladores. La brecha de energía es inferior a 3 eV. La brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción es de alrededor de 6 eV. La mayor conductividad se encuentra aquí. La conductividad es la propiedad que existe entre conductores y aisladores. La conductividad es bastante baja.
Pregunta 3: ¿Cuál es la energía requerida para que un electrón de valencia se mueva de la banda de valencia a la banda de conducción?
Responder:
Para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción, los electrones de valencia deben tener la misma energía que la brecha de energía.
Pregunta 4: ¿Cuál es la definición de un modelo de banda?
Responder:
La presencia de bandas de energía se postula en la teoría de bandas para describir el comportamiento de los electrones en los materiales. Explica satisfactoriamente varias características físicas de los sólidos mediante el uso de la estructura de bandas del material.
Pregunta 5: Tres átomos de Ge se acercan entre sí hasta alcanzar una distancia igual a la que hay entre los átomos de un cristal. ¿Cuántos estados de energía permisibles tiene la banda de valencia? ¿Qué pasa con la banda de conducción? ¿Dónde se pueden encontrar los electrones de valencia?
Responder:
Los 4 electrones de valencia de un átomo de Ge están presentes en los estados 4s 2 , 4p 2 . Cuando los átomos de 3 Ge se juntan hasta alcanzar la distancia del cristal de Ge, los niveles 4s y 4p se dividen en dos bandas de energía, cada una con 6 niveles. Como resultado, la banda de valencia contendrá 6 niveles de energía, cada uno de los cuales puede contener 2 electrones con espín opuesto.
Del mismo modo, la banda de conducción contendrá 6 niveles de energía. Debido al hecho de que los átomos de 3 Ge contienen un total de 12 electrones de valencia, todos los estados potenciales de la banda de valencia estarán ocupados.