banda de valencia
El término banda de valencia forma parte del modelo de bandas con el que se explica la conductividad eléctrica , especialmente la del semiconductor . La banda de valencia es generalmente la banda de energía de electrones ocupada más alta en el cero absoluto (temperatura) o son las bandas cuyos electrones ( electrones de valencia ) contribuyen al enlace químico.
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Explicaciones
Como se mencionó anteriormente, la banda de valencia es la banda de energía ocupada más alta en el cero absoluto (temperatura). En semiconductores y aisladores , esta banda está completamente ocupada y separada de la siguiente banda de energía superior ( banda de conducción ) por la llamada banda prohibida . Con conductores, dependiendo de la configuración electrónica del elemento, la banda de valencia puede ser idéntica a la banda de conducción (por ejemplo, con sodio) o puede superponerse con la siguiente banda superior (cuasi la banda de conducción). Como resultado, la banda de valencia en los metales está ocupada solo parcialmente.
En el caso de un metal monovalente, cada átomo del compuesto cristalino aporta un electrón de valencia al enlace (configuración básica 3s 1 ). Los electrones de valencia, como causa del enlace químico , pertenecen al sólido como un todo. En el caso del sodio (metal monovalente), esto crea la banda 3s, la banda de valencia del sodio; Para conocer el origen de las bandas, consulte el modelo de bandas . Dado que el sodio solo aporta un electrón de valencia para el nivel de energía correspondiente y, por lo tanto, también para la banda de energía correspondiente, solo la mitad de la banda de 3 está ocupada (ver el principio de Pauli ).
La situación es diferente con los metales divalentes como el magnesio . El magnesio tiene dos electrones de valencia (configuración básica 3s 2 ), por lo que se esperaría que su banda de valencia esté completamente ocupada y por lo tanto sea un aislante. Debido a la superposición energética con la siguiente banda de energía más alta (también llamada segunda banda de valencia, en el caso del magnesio la banda 3p) los electrones pueden pasar de la primera a la segunda banda de valencia, por lo que ambas están ocupadas solo parcialmente; Los electrones no se distribuyen simplemente proporcionalmente, sino que se distribuyen según la densidad de estados (véase también la estructura de bandas ). La situación es análoga en el caso del aluminio (configuración básica 3s 2 3p 1 ), en el que la banda 3-s debe estar completamente ocupada y la banda 3-p medio ocupada. Debido a la superposición de las bandas de energía, ambas bandas están ocupadas solo parcialmente, como es el caso del magnesio.
En el caso de los semiconductores y aislantes, no existe la superposición descrita de la banda de valencia y la siguiente banda superior (desocupada). Por ejemplo, el silicio tiene cuatro electrones de valencia (configuración básica 3s 2 3p 2 ). De manera similar al sodio, magnesio y aluminio, las dos bandas de valencia (bandas 3s y 3p) también se superponen aquí. Pero dado que no hay superposición con la siguiente banda superior, el esquema de energía del carbono también se puede usar como ilustración, la banda de valencia (aquí, ambas bandas de valencia a menudo se combinan simplemente) está completamente ocupada. La brecha energética entre la banda de valencia y la banda de conducción se denomina banda prohibida , una zona prohibida mecánicamente cuántica para los electrones. Dado que no hay niveles de energía libre en la banda de valencia, el silicio es un aislante en el cero absoluto ( T = 0 K), porque un campo eléctrico externo (pequeño) no puede transportar electrones de valencia a la banda de conducción libre. Dado que es posible con el aumento de la temperatura o la incidencia de la luz que los electrones puedan cambiar a la banda de conducción, el silicio también se denomina semiconductor.
Importancia en la conducción eléctrica
Estado fundamental y campo eléctrico externo
Las bandas completamente ocupadas no pueden contribuir a la conductividad, porque cuando se aplica un campo eléctrico externo, los electrones absorben energía de este campo, se elevan para liberar términos de energía más alta en la banda y se produce la flexión de la banda. Los estados de energía libre son necesarios para que los electrones se muevan en el sólido. Si la banda está completamente ocupada, los electrones no pueden asumir un nivel de energía más alto en la misma banda debido a la energía suministrada por el campo eléctrico. Dado que un cambio en la ubicación de todos los electrones no da como resultado un transporte neto de carga eléctrica, un material con una banda de valencia completamente ocupada es un aislante.
Suministro de energía externo
Sin embargo, si se suministra una cantidad de energía térmica o fotónica a un semiconductor que se encuentra en el rango de la banda prohibida , muchos electrones de valencia se excitan en la banda de conducción . Estos electrones en la banda de conducción pueden absorber energía de un campo eléctrico y hacer que el material (junto con los electrones defectuosos resultantes, es decir, los "huecos" en la banda de valencia) sea conductor. Este efecto, que aumenta fuertemente con la temperatura, se conoce como conducción intrínseca , en el caso de la excitación por fotones, como fotoconducción . Por el contrario, existe la conducción de impurezas , que se puede generar mediante la introducción de átomos extraños ( dopaje ) en el semiconductor.
Los semiconductores y aisladores difieren solo en el ancho de la banda prohibida. En este último, es tan grande ( E g > 3 eV) que los electrones difícilmente pueden superarlo por excitación térmica a temperatura ambiente e incluso a temperaturas más altas. Los aislantes solo se convierten en conductores a temperaturas (muy) altas o cuando se aplica un voltaje suficientemente alto, aunque estos generalmente se destruyen irreversiblemente en el proceso.
Evidencia individual
- ↑ Esquema energético del carbono
- ^ Peter W. Atkins, Julio De Paula: Química física . John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-33247-2 , págs. 764,765 ( vista previa limitada en la Búsqueda de libros de Google [consultado el 1 de febrero de 2017]).
- ↑ Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler: Materiales en ingeniería eléctrica: Fundamentos - estructura - propiedades - pruebas - aplicación - tecnología . Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2013, ISBN 978-3-446-43748-7 , pág. 105 ( vista previa limitada en la Búsqueda de libros de Google [consultado el 1 de febrero de 2017]).
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- ↑ Wilfried Plaßmann, Detlef Schulz: Manual de ingeniería eléctrica: conceptos básicos y aplicaciones para ingenieros eléctricos . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-8348-2071-6 , págs. 202 ( vista previa limitada en la Búsqueda de libros de Google [consultado el 1 de febrero de 2017]).