Teoria da banda dos sólidos

A física quântica descreve os estados dos elétrons em um átomo de acordo com o esquema quádruplo de números quânticos . Os números quânticos descrevem os estados permitidos elétrons podem assumir em um átomo. Para usar a analogia de um anfiteatro, os números quânticos descrevem quantas filas e assentos estão disponíveis. Os elétrons individuais podem ser descritos pela combinação de números quânticos, como um espectador em um anfiteatro designado a uma determinada fileira e assento.

Como os espectadores em um anfiteatro movendo-se entre assentos e fileiras, os elétrons podem mudar de status, dada a presença de espaços disponíveis para caberem e a energia disponível. Uma vez que o nível da camada está intimamente relacionado à quantidade de energia que um elétron possui, “saltos” entre os níveis da camada (e mesmo sub-camadas) requerem transferências de energia. Para que um elétron se mova para uma camada de ordem superior, é necessário que uma fonte externa de energia adicional seja fornecida ao elétron. Usando a analogia do anfiteatro, é necessário um aumento de energia para uma pessoa se mover para uma fileira mais alta de assentos porque essa pessoa deve subir a uma altura maior contra a força da gravidade. Por outro lado, um elétron “saltando” para uma camada inferior cede parte de sua energia, como uma pessoa pulando para uma fileira inferior de assentos, a energia gasta se manifestando como calor e som.

Nem todos os “saltos” são iguais. Os saltos entre camadas diferentes requerem uma troca substancial de energia, mas os saltos entre as subcamadas ou entre orbitais requerem trocas menores.

Quando os átomos se combinam para formar substâncias, as camadas mais externas, sub-camadas e orbitais se fundem, fornecendo um número maior de níveis de energia disponíveis para os elétrons assumirem. Quando um grande número de átomos estão próximos uns dos outros, esses níveis de energia disponíveis formam uma banda quase contínua em que os elétrons podem se mover conforme ilustrado na Figura abaixo



Sobreposição de banda de elétrons em elementos metálicos.

É a largura dessas bandas e sua proximidade com os elétrons existentes que determina o quão móveis esses elétrons serão quando expostos a um campo elétrico. Em substâncias metálicas, bandas vazias se sobrepõem a bandas contendo elétrons, o que significa que os elétrons de um único átomo podem se mover para o que normalmente seria um estado de nível superior com pouca ou nenhuma energia adicional transmitida. Assim, os elétrons externos são considerados "livres" e prontos para se moverem ao sinal de um campo elétrico.

A sobreposição de bandas não ocorrerá em todas as substâncias, não importa quantos átomos estejam próximos uns dos outros. Em algumas substâncias, uma lacuna substancial permanece entre a banda mais alta contendo elétrons (a chamada banda de valência ) e a próxima banda, que está vazia (a chamada banda de condução ) Veja a figura abaixo. Como resultado, os elétrons de valência são "ligados" aos seus átomos constituintes e não podem se tornar móveis dentro da substância sem uma quantidade significativa de energia transmitida. Essas substâncias são isolantes elétricos.



Separação de banda de elétrons em substâncias isolantes.

Materiais que se enquadram na categoria de semicondutores têm uma lacuna estreita entre as bandas de valência e de condução. Assim, a quantidade de energia necessária para motivar um elétron de valência para a banda de condução, onde se torna móvel, é bastante modesta. (Figura abaixo)



Separação de banda de elétrons em substâncias semicondutoras, (a) multidões de átomos próximos semicondutores ainda resultam em um gap significativo, (b) multidões de átomos de metal próximos para referência.

Em baixas temperaturas, pouca energia térmica está disponível para empurrar os elétrons de valência através dessa lacuna, e o material semicondutor atua mais como um isolante. Em temperaturas mais altas, porém, a energia térmica ambiente torna-se suficiente para forçar os elétrons através da lacuna, e o material aumentará a condução de eletricidade. É difícil prever as propriedades condutoras de uma substância examinando as configurações eletrônicas de seus átomos constituintes. Embora os melhores condutores metálicos de eletricidade (prata, cobre e ouro) tenham s externos subcamadas com um único elétron, a relação entre a condutividade e a contagem de elétrons de valência não é necessariamente consistente:



As configurações da banda de elétrons produzidas por compostos de diferentes elementos desafiam a fácil associação com as configurações de elétrons de seus elementos constituintes.

REVER:

• A energia é necessária para remover um elétron da banda de valência para uma banda desocupada mais alta, uma banda de condução. É necessária mais energia para mover-se entre as camadas, menos entre as sub-camadas.
• Como as bandas de valência e condução se sobrepõem nos metais, pouca energia remove um elétron. Os metais são excelentes condutores.
• A grande lacuna entre as bandas de valência e condução de um isolador requer alta energia para remover um elétron. Assim, isoladores não conduzem.
• Os semicondutores têm uma pequena lacuna não sobreposta entre as bandas de valência e de condução. Semicondutores puros não são bons isolantes nem bons condutores. Semicondutores são semicondutores.

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de condução elétrica em semicondutores