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Teoría de Bandas: Conductores, aisladores y semiconductores

Conductores y Aisladores
Los metales se caracterizan por su alta conductividad eléctrica. En un metal los átomos se encuentran empacados muy cerca unos de otros de tal forma que los niveles energéticos de cada átomo se ven afectados por los de los átomos vecinos, lo cual da lugar a traslape de orbitales. La interacción entre dosorbitales atómicos conduce a la formación de un orbital molecular de enlace y otro de antienlace. Como el número de átomos existente incluso en un pequeño trozo de sodio metálico es demasiado grande, el correspondiente número de orbitales moleculares que se forman es también muy grande. Estos orbitales moleculares tienen energías tan parecidas que se describen en forma más adecuada como una "banda".Este conjunto de niveles tan cercanos en energía se conoce como banda de valencia. La parte superior de los niveles energéticos corresponde a los orbitales moleculares deslocalizados vacíos, que se forman por el traslape de los orbitales. Este conjunto de niveles vacíos cercanos energéticamente se llama banda de conducción.

Se puede imaginar al magnesio metálico como un conjunto de ionespositivos inmerso en un mar de electrones de valencia deslocalizados. La gran fuerza de cohesión resultante de la deslocalización es en parte responsable de la fortaleza evidente en la mayoría de los metales. En virtud de que las bandas de valencia y de conducción son adyacentes, se requiere sólo una cantidad despreciable de energía para promover un electrón de valencia a la banda de conducción, dondeadquiere libertad para moverse a través de todo el metal, dado que la banda de conducción carece de electrones. Esta libertad de movimiento explica el hecho de que los metales sean capaces de conducir la corriente eléctrica.
¿Por qué las sustancias como la madera o el vidrio no conducen la electricidad? La figura 1 da una respuesta a esta pregunta. Básicamente, la conductividad eléctrica de unsólido depende del espaciamiento y el estado de ocupación de las bandas de energía. Otros metales se parecen al magnesio en el hecho de que sus bandas de valencia son adyacentes a las de conducción y, por lo tanto, estos metales actúan fácilmente como conductores. En un aislante la brecha entre las bandas de conducción y de valencia es considerablemente mayor que en un metal: en consecuencia, serequiere mucho mayor energía para excitar un electrón a la banda de conducción. La carencia de esta energía impide la libre movilidad de los electrones. El vidrio, la madera y el hule son aislantes comunes.

Semiconductores
Numerosos elementos, en especial el Si y el Ge tienen propiedades intermedias entre las de los metales y las de los no metales y, por ello se denominan elementos semiconductores.La brecha energética entre las bandas llenas y las vacías en estos sólidos es mucho menor que en el caso de los aislantes, si se suministra la energía necesaria para excitar electrones de la banda de valencia a la de conducción, el sólido se convierte en un conductor. Este comportamiento es opuesto al de los metales. La capacidad de un metal para conducir la electricidad disminuye al aumentar latemperatura, ya que se acentúa la vibración de los átomos a mayores temperaturas y esto tiende a romper el flujo de electrones.
Dentro de los sólidos semiconductores están el germanio y el silicio. Tanto uno como el otro tienen cuatro electrones en la órbita externa, la que por su distancia al núcleo correspondería que tuviese ocho electrones para lograr una configuración estable. Admitiremos comoprincipio que entre varios estados posibles los sistemas de la naturaleza tienden a tomar el de mayor estabilidad, es por esto que tanto el Ge como el Si cuando se solidifican toman una estructura cristalina tal que cada átomo tiene a otros cuatro a su alrededor compartiendo con ellos un electrón en coparticipación ignorando la estabilidad de ocho electrones que necesita en su última capa.
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