TEORIA DELLE BANDE: MODELLO ED ESEMPI - CHIMICA - 2025

La teoria delle bande è quella che definisce la struttura elettronica del solido nel suo insieme. Può essere applicato a qualsiasi tipo di solido, ma è nei metalli che si riflettono i suoi maggiori successi. Secondo questa teoria, il legame metallico risulta dall'attrazione elettrostatica tra gli ioni caricati positivamente e gli elettroni mobili nel cristallo.

Pertanto, il cristallo metallico ha un "mare di elettroni", che può spiegare le sue proprietà fisiche. L'immagine sotto mostra il collegamento metallico. I punti viola degli elettroni sono delocalizzati in un mare che circonda gli atomi di metallo caricati positivamente.

Il "mare di elettroni" è formato dai contributi individuali di ogni atomo di metallo. Questi input sono i tuoi orbitali atomici. Le strutture metalliche sono generalmente compatte; più sono compatti, maggiori sono le interazioni tra i loro atomi.

Di conseguenza, i loro orbitali atomici si sovrappongono per generare orbitali molecolari molto stretti in energia. Il mare di elettroni non è quindi altro che un ampio insieme di orbitali molecolari con diversi intervalli di energia. La gamma di queste energie costituisce ciò che è noto come bande di energia.

Queste bande sono presenti in qualsiasi regione del cristallo, motivo per cui è considerato nel suo insieme, e da lì deriva la definizione di questa teoria.

Modello fascia energetica

Quando l'orbitale s di un atomo metallico interagisce con quello del suo vicino (N = 2), si formano due orbitali molecolari: uno di legame (banda verde) e un altro di anti-legame (banda rosso scuro).

Se N = 3, si formano ora tre orbitali molecolari, di cui quello centrale (banda nera) non si lega. Se N = 4, si formano quattro orbitali e quello con il maggiore carattere di legame e quello con il maggiore carattere anti-legame vengono ulteriormente separati.

La gamma di energia disponibile per gli orbitali molecolari si amplia man mano che gli atomi di metallo nel cristallo contribuiscono ai loro orbitali. Ciò si traduce anche in una diminuzione dello spazio energetico tra gli orbitali, al punto che si condensano in una banda.

Questa banda composta da s orbitali ha regioni di bassa energia (quelle colorate di verde e giallo) e di alta energia (quelle colorate di arancione e rosso). I suoi estremi energetici hanno una bassa densità; tuttavia, al centro è concentrata la maggior parte degli orbitali molecolari (banda bianca).

Ciò significa che gli elettroni "corrono più velocemente" attraverso il centro della banda che attraverso le sue estremità.

Livello di Fermi

La conduttività elettrica consiste quindi nella migrazione di elettroni da una banda di valenza a una banda di conduzione.

Se il divario di energia tra entrambe le bande è molto grande, hai un solido isolante (come con B). D'altra parte, se questo spazio è relativamente piccolo, il solido è un semiconduttore (nel caso di C).

Quando la temperatura aumenta, gli elettroni nella banda di valenza acquisiscono energia sufficiente per migrare verso la banda di conduzione. Ciò si traduce in una corrente elettrica.

In realtà, questa è una qualità dei solidi o dei materiali semiconduttori: a temperatura ambiente sono isolanti, ma ad alte temperature sono conduttivi.

Semiconduttori intrinseci ed estrinseci

I conduttori intrinseci sono quelli in cui il divario di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione è abbastanza piccolo da consentire all'energia termica di consentire il passaggio degli elettroni.

D'altra parte, i conduttori estrinseci mostrano cambiamenti nelle loro strutture elettroniche dopo il drogaggio con impurità, che aumentano la loro conduttività elettrica. Questa impurità può essere un altro metallo o un elemento non metallico.

Se l'impurità ha più elettroni di valenza, può fornire una banda donatrice che funge da ponte per gli elettroni dalla banda di valenza per attraversare la banda di conduzione. Questi solidi sono semiconduttori di tipo n. Qui il nome n deriva da "negativo".

Nell'immagine in alto la banda donatrice è illustrata nel blocco blu appena sotto la banda di conduzione (Tipo n).

D'altra parte, se l'impurità ha meno elettroni di valenza, fornisce una banda accettrice, che accorcia il divario di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione.

Gli elettroni migrano prima verso questa banda, lasciando dietro di sé "buchi positivi", che si muovono nella direzione opposta.

Poiché questi buchi positivi segnano il passaggio degli elettroni, il solido o il materiale è un semiconduttore di tipo p.

Esempi di teoria delle bande applicata

- Spiega perché i metalli sono lucidi: i loro elettroni in movimento possono assorbire le radiazioni in un'ampia gamma di lunghezze d'onda quando salgono a livelli di energia più elevati. Quindi emettono luce, tornando ai livelli inferiori della banda di conduzione.

- Il silicio cristallino è il materiale semiconduttore più importante. Se una porzione di silicio viene drogata con tracce di un elemento del gruppo 13 (B, Al, Ga, In, Tl), diventa un semiconduttore di tipo p. Mentre se drogato con un elemento del gruppo 15 (N, P, As, Sb, Bi) diventa un semiconduttore di tipo n.

- Il diodo a emissione di luce (LED) è un semiconduttore della scheda pn. Cosa significa? Che il materiale abbia entrambi i tipi di semiconduttori, sia n che p. Gli elettroni migrano dalla banda di conduzione del semiconduttore di tipo n alla banda di valenza del semiconduttore di tipo p.

Riferimenti

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