Conducción en materiales sólidos
El número de electrones en el anillo exterior de un átomo sigue siendo la razón de la diferencia entre conductores y aislantes. Como sabemos, los materiales sólidos se utilizan principalmente en dispositivos eléctricos para lograr la conducción de electrones. Estos materiales se pueden separar en conductores, semiconductores y aislantes.
Sin embargo, los conductores, semiconductores y aisladores se diferencian por diagramas de niveles de energía. Aquí se contabilizará la cantidad de energía necesaria para hacer que un electrón abandone su banda de valencia y entre en conducción. El diagrama es una composición de todos los átomos dentro del material. Los diagramas de niveles de energía de aisladores, semiconductores y conductores se muestran en la siguiente figura.
Banda de valencia
La parte inferior es la valence band. Representa los niveles de energía más cercanos al núcleo del átomo y los niveles de energía en la banda de la cenefa contienen el número correcto de electrones necesarios para equilibrar la carga positiva del núcleo. Por lo tanto, esta banda se llamafilled band.
En la banda de valencia, los electrones están estrechamente unidos al núcleo. Moviéndose hacia arriba en el nivel de energía, los electrones se unen más ligeramente en cada nivel sucesivo hacia el núcleo. No es fácil perturbar los electrones en los niveles de energía más cercanos al núcleo, ya que su movimiento requiere energías más grandes y cada órbita de electrones tiene un nivel de energía distinto.
Banda de conducción
La banda superior o más externa del diagrama se llama conduction band. Si un electrón tiene un nivel de energía, que se encuentra dentro de esta banda, y es relativamente libre de moverse en el cristal, entonces conduce corriente eléctrica.
En la electrónica de semiconductores, nos ocupamos principalmente de las bandas de valencia y conducción. A continuación se muestra información básica al respecto:
La banda de valencia de cada átomo muestra los niveles de energía de los electrones de valencia en la capa exterior.
Se debe agregar una cantidad definida de energía a los electrones de valencia para hacer que entren en la banda de conducción.
Espacio prohibido
Las bandas de valencia y conducción están separadas por un espacio, dondequiera que exista, llamado espacio prohibido. Para cruzar la brecha prohibida se necesita una determinada cantidad de energía. Si es insuficiente, los electrones no se liberan para la conducción. Los electrones permanecerán en la banda de valencia hasta que reciban energía adicional para cruzar el espacio prohibido.
El estado de conducción de un material en particular se puede indicar por el ancho del espacio prohibido. En teoría atómica, el ancho del espacio se expresa en electronvoltios (eV). Un electrón voltio se define como la cantidad de energía ganada o perdida cuando un electrón se somete a una diferencia de potencial de 1 V. Los átomos de cada elemento tienen un valor de nivel de energía diferente que permite la conducción.
Tenga en cuenta que el forbidden regionde un aislante es relativamente ancho. Hacer que un aislante entre en conducción requerirá una gran cantidad de energía. Por ejemplo, Thyrite.
Si los aisladores funcionan a altas temperaturas, el aumento de la energía térmica hace que los electrones de la banda de valencia se muevan hacia la banda de conducción.
Como se desprende del diagrama de bandas de energía, el espacio prohibido de un semiconductor es mucho más pequeño que el de un aislante. Por ejemplo, el silicio necesita ganar 0,7 eV de energía para entrar en la banda de conducción. A temperatura ambiente, la adición de energía térmica puede ser suficiente para provocar la conducción en un semiconductor. Esta característica particular es de gran importancia en los dispositivos electrónicos de estado sólido.
En el caso de un conductor, la banda de conducción y la banda de valencia se superponen parcialmente entre sí. En cierto sentido, no hay ningún espacio prohibido. Por lo tanto, los electrones de la banda de valencia pueden liberarse para convertirse en electrones libres. Normalmente, a temperatura ambiente normal, se produce poca conducción eléctrica dentro del conductor.