Teoria delle bande

La teoria delle bande è simile alla teoria degli orbitali molecolari, e fornisce un modello per il comportamento elettronico nei solidi. Occorre ricordare che quando due o più atomi si uniscono per diventare una molecola, i loro orbitali atomici si sovrappongono per formare orbitali molecolari di livelli energetici discreti. All’aumentare del numero di atomi nella molecola, aumenta anche il numero di orbitali molecolari.I solidi hanno tipicamente un numero estremamente elevato di atomi, quindi l’intero solido sarebbe rappresentato con un numero estremamente elevato di orbitali molecolari ravvicinati. Pertanto, i gruppi degli orbitali molecolari saranno così ravvicinati che possono essere pensati come intervalli continui, o bande, di energia che gli elettroni possono occupare. Come gli orbitali molecolari, queste bande sono separate da lacune energetiche.Se gli spazi sono troppo ampi, gli elettroni non possono attraversarli. In conduttori come il rame, gli elettroni di valenza sono in una banda che ha anche numerosi orbitali vuoti. Gli elettroni di valenza possono spostarsi facilmente fra gli orbitali, consentendo agli elettroni di fluire liberamente attraverso il solido.Questi elettroni mobili sono responsabili della buona conduttività elettrica del solido. I modelli di semiconduttori e isolanti considerano due bande:la banda di valenza, che è la banda a più alta energia, che contiene elettroni nello stato fondamentale, e la banda di conduzione, che è la banda appena sopra la banda di valenza. La banda di valenza ha pochi orbitali vuoti, limitando la capacità degli elettroni di valenza di muoversi attraverso il solido;non potranno quindi raggiungere gli orbitali vuoti della banda di conduzione.Questo è il comportamento osservato negli isolanti come il vetro:hanno un grande gap energetico, o band gap, fra le bande di valenza e di conduzione. Gli isolanti, dunque, mostrano una scarsa conduttività elettrica. Se il gap della banda è piccolo, gli elettroni di valenza potranno spostarsi fino alla banda di conduzione e muoversi liberamente fra gli orbitali vuoti.Gli orbitali lasciati vuoti dagli elettroni, renderanno, allo stesso tempo, più facile per gli elettroni stessi il movimento all’interno della banda di valenza. Questo è il comportamento che ritroviamo nei semiconduttori come il silicio, meno conduttivi dei metalli ma più conduttivi degli isolanti.