IV.1.1. Benzile de energie și clasificarea solidelor în metale, semiconductori și izolatori.
Nivelul energetic este o stare energetică posibilă într-un sistem cuantic (atom, moleculă, cristal etc.).
Ultimul nivel energetic ocupat de electroni în atomul liber se numeşte nivel de valenţă.
Fiecare nivel energetic discret al atomului este caracterizat prin numerele cuantice n și l.
Straturile electronice ale unui atom sunt K (n=1), L (n=2), M (n=3) etc.
Nivelele energetice dintr-o pătură corespund la valori diferite ale numărului cuantic l, și anume s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2), f (l = 3). Fiecărui nivel energetic l îi corespund 2l + 1 stări ocupate de 2(2l + 1) electroni.
Cristalele sunt alcătuite din atomi, ioni sau molecule.
Considerăm un cristal care conține N atomi. Când cei N atomi se apropie la o distanță foarte mică la formarea rețelei cristaline, atomii încep să interacționeze unul cu altul astfel încât nivelele energetice își modifică valoarea și fiecare nivel energetic se despică în N subnivele de energii foarte apropiate cu formarea unei benzi de energie.
Banda energetică are o distribuţie continuă de subnivele. În cristal acesta devine banda de valenţă, care poate fi parţial sau total ocupată.
Atât în atomul liber, cât și în cristal, deasupra nivelului (benzii) de valenţă există nivele (benzi) energetice libere. Prima bandă de acest tip este banda de conducţie.
În cristale, ca și în atomii izolați, avem bandă de energie permisă și bandă de energie interzisă.
Lărgimea unui nivel energetic este dată de relația de incertitudine a lui Heisenberg:
ΔE ∙ Δt ≥ h/2π
Pentru un atom izolat Δt = 10-8 s → ΔE = 0,7 ∙ 10-8 eV
Pentru un atom dintr-un cristal Δt = 10-15 s → ΔE = 0,6 eV
Banda de valență (BV) a unui cristal este ultima bandă de energie permisă ocupată de electronii legați de atomi, având cea mai mare energie. Electronii având aceste energii nu se pot mișca în cristal.
Banda de conducție (BC) a unui cristal este banda de energie permisă situată deasupra benzii de valență, în care electronii cu energii mai mari decât cele din banda de valență, devin liberi, se pot mișca dând naștere unui curent electric.
Banda interzisă este un interval de energii nepermise pentru electroni ce separă banda de valență de cea de conducție. Aceasta este o caracteristică de material, care reflectă abilitatea acestuia de a genera un curent electric. Lărgimea benzii interzise exprimă energia necesară unui electron din banda de valență pentru a deveni liber.
În solide electronii pot efectua atât tranziții interbandă, cât și tranziții intrabandă.
Tranziția electronului dintr-o bandă de energie inferioară într-o bandă de energie superioară are loc cu absorbție de energie (furnizată de un câmp electric, pe cale termică etc.).
Clasificarea solidelor în conductoare, semiconductori și izolatori:
a) Conductoarele (metalele) au banda de valență (banda de energie permisă) cu cea mai mare energie și parțial ocupată cu electroni. La cristalele metalice nu există banda de energie interzisă. Astfel, prin aplicarea unui câmp electric foarte slab metalului sau încălzindu-l foarte puțin, electronii primesc suficientă energie pentru a trece în banda de conducție și astfel se poate genera un curent electric.
b) Semiconductorii au la temperatura de 0 K banda de valență complet ocupată cu electroni, iar banda de conducție complet goală și separată de banda de valență printr-o bandă interzisă cu lărgimea ΔWi < 3 eV. Ei au banda interzisă cu o lărgime comparabilă cu energia câștigată de un electron sub acțiunea unui câmp electric, prin încălzire sau prin iluminare și pot deveni conductori în condiții externe de câmp, temperatură sau radiație. De exemplu, siliciul are ΔWi = 1,12 eV, iar germaniul are ΔWi = 0,67 eV
c) Izolatorii au la temperatura de 0 K banda de valență complet ocupată cu electroni, iar banda de conducție complet goală și separată de banda de valență printr-o bandă interzisă cu lărgimea ΔWi > 3 eV. Având banda interzisă cu o lărgime apreciabilă, ei nu pot genera curent electric pentru valori uzuale de câmp și/sau de temperatură.
