Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Según la teoría de la estructura atómica de Neil Bohr, se encuentra que todos los átomos tienen niveles de energía discretos alrededor de su núcleo central (más sobre esto se puede encontrar en el artículo “ Niveles de energía atómica ”). Considere ahora el caso en el que dos o más de estos átomos se colocan más cerca uno del otro. En este caso, la estructura de sus niveles de energía discretos se transforma en una estructura de bandas de energía. Es decir, en lugar de niveles de energía discretos, se pueden encontrar bandas de energía discretas. La causa detrás de la formación de tales bandas de energía en los cristales es la interacción mutua entre los átomos que es el resultado de las fuerzas electromagnéticas que actúan entre ellos.
La Figura 1 muestra una disposición típica de tales bandas de energía. Aquí se puede pensar que la banda de energía 1 es análoga al nivel de energía E 1 de un átomo aislado y la banda de energía 2 al nivel E 2 y así sucesivamente.
Esto es equivalente a decir que los electrones más cercanos al núcleo de los átomos que interactúan constituyen la banda de energía 1, mientras que aquellos en sus correspondientes órbitas externas dan como resultado bandas de energía más altas. 
En realidad, cada una de estas bandas constituye múltiples niveles de energía que están muy poco espaciados.
A partir de la figura, es evidente que el número de niveles de energía que aparecen en una banda de energía particular aumenta con el aumento de la banda de energía considerada, es decir, la tercera banda de energía es más amplia que la segunda, que sin embargo se ve más amplia en comparación con la el primero. A continuación, el espacio entre cada una de estas bandas se denomina banda prohibida o banda prohibida (Figura 1). Además, todos los electrones presentes dentro del cristal se ven obligados a estar presentes en cualquiera de las bandas de energía. Esto a su vez significa que los electrones no se pueden encontrar en la región de banda prohibida de energía.
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Tipos de bandas de energía
Las bandas de energía en un cristal pueden ser de varios tipos. Algunos de ellos estarían completamente vacíos debido a que se denominan bandas de energía vacías, mientras que algunos más estarían completamente llenos y, por lo tanto, se denominan bandas de energía llenas. Por lo general, las bandas de energía llenas serán los niveles de energía más bajos que se encuentran más cerca del núcleo del átomo y no poseen electrones libres, lo que significa que no pueden permitirse la conducción. También existe otro conjunto de bandas de energía que puede ser una combinación de bandas de energía vacías y llenas llamadas bandas de energía mixtas.
Sin embargo, en el campo de la electrónica, uno está particularmente interesado en el mecanismo de conducción. Como resultado, aquí, dos de las bandas de energía adquieren una importancia extrema. Estos son
Banda de valencia
Esta banda de energía se compone de electrones de valencia (electrones en la órbita más externa de un átomo) y puede estar completa o parcialmente llena. A temperatura ambiente, esta es la banda de mayor energía que se compone de electrones.
Banda de conducción
La banda de energía más baja que generalmente está desocupada por los electrones a temperatura ambiente se llama banda de conducción. Esta banda de energía se compone de electrones que están libres de la fuerza de atracción del núcleo del átomo.
En general, la banda de valencia es una banda con menor energía en comparación con la banda de conducción y, por lo tanto, se encuentra debajo de la banda de conducción en el diagrama de bandas de energía (Figura 2). Los electrones en la banda de valencia están débilmente unidos al núcleo del átomo y saltan a la banda de conducción cuando el material se excita (digamos, térmicamente).
Importancia de las bandas energéticas
Es bien sabido que la conducción a través de los materiales se produce únicamente por los electrones libres presentes en ellos. Este hecho puede reafirmarse en términos de la teoría de la banda de energía, ya que «los electrones presentes en la banda de conducción son los únicos que contribuyen al mecanismo de conducción». Como resultado, se pueden clasificar los materiales en diferentes categorías observando su diagrama de bandas de energía.
Por ejemplo, digamos, el diagrama de bandas de energía muestra una superposición considerable entre las bandas de valencia y de conducción (Figura 3a). Entonces, significa que el material tiene abundantes electrones libres, por lo que puede considerarse un buen conductor de electricidad, es decir, un metal.
Por otro lado, si tenemos un diagrama de bandas de energía en el que hay una gran brecha entre la valencia y las bandas de conducción (Figura 3b), esto significa que se necesita proporcionar al material una gran cantidad de energía para obtener el relleno. banda de conducción. A veces, esto puede ser difícil o incluso prácticamente imposible. Esto dejaría la banda de conducción vacía de electrones debido a que el material dejaría de conducir. Por tanto, este tipo de materiales serían aislantes .
Ahora, digamos que tenemos un material que muestra una ligera separación entre la valencia y las bandas de conducción como se muestra en la Figura 3c. En este caso, se puede hacer que los electrones en la banda de valencia ocupen la banda de conducción proporcionando una pequeña cantidad de energía. Esto significa que, aunque dichos materiales suelen ser aislantes, se pueden convertir para que actúen como conductores excitándolos externamente. Por tanto, estos materiales se denominarán semiconductores .
