Teoría de bandas de sólidos
Teoría de bandas
La teoría de bandas es una teoría importante en el estudio de la electrónica. En el contexto de la electricidad y el magnetismo, una banda es un rango en el que los electrones de un objeto pueden poseer energía. Esta teoría existe porque las acciones de un electrón dentro de un sólido afectan las acciones y la naturaleza de todos los demás electrones en ese objeto. Esto es diferente de los efectos de los movimientos de un electrón en un líquido o gas. Algunas bandas de energía no pueden poseer electrones en algunos elementos. Así, los electrones saltan de una banda de energía a la siguiente. La presencia de los electrones de un objeto en una banda determina si ese objeto puede o no conducir electricidad y en qué nivel es efectivo.
Conductores
Los elementos que pueden transmitir libremente energía eléctrica a través de sí mismos debido a la presencia de energía eléctrica se denominan conductores. Los electrones de estos elementos tienen altos niveles de energía. Otro término para los conductores es “metales”. Los conductores son artículos en los que los electrones de sus átomos más externos no tienen bandas de energía prohibidas. Siempre pueden poseer energía y, por lo tanto, siempre pueden transmitir electricidad.
¿Por qué son importantes los electrones de valencia?
Los electrones de valencia son esenciales en el contexto de la electricidad y la teoría de bandas. Son objeto de manipulación energética. Para que un elemento pueda conducir electricidad, los electrones de valencia deben alcanzar un cierto nivel de energía. La banda de valencia de un elemento es el nivel promedio de energía de sus electrones de valencia. En los conductores, el límite superior del rango de energía típico de los electrones de valencia se superpone con el límite inferior del rango de energía requerido para las transmisiones eléctricas.
El rango de energía requerido se conoce como “banda de conducción”. Si los electrones de valencia están en la banda de conducción, la transmisión de electricidad será más fácil de llevar a cabo. Los grandes espacios entre la banda de valencia y la banda de conducción dificultarán el viaje de la electricidad.
Aisladores
No todos los artículos pueden conducir la electricidad libremente. Un aislador es un elemento en el que prácticamente no se puede transmitir energía eléctrica. En otras palabras, los elementos que son aislantes tienen rangos aceptables de energía extremadamente pequeños. Sus bandas prohibidas son extremadamente grandes, por lo que sus electrones de valencia prácticamente nunca pueden alcanzar los niveles de energía necesarios para conducir la electricidad. Los aisladores se pueden usar en una instancia en la que un electricista no quiere que la energía eléctrica viaje a áreas no deseadas. Los ejemplos de aisladores incluyen madera, plástico, caucho y vidrio.
Semiconductores
Los semiconductores son elementos que siempre pueden conducir electricidad; sin embargo, solo pueden transmitir una cantidad moderada de electricidad. Si bien los semiconductores tienen bandas de energía prohibidas, estos rangos son extremadamente estrechos. No se necesita una gran cantidad de energía para fomentar la transmisión de energía eléctrica a través del material. Ejemplos de semiconductores son el silicio y el germanio.
El principal tipo de manipulación que ocurre en los semiconductores para permitir el viaje eléctrico es el “dopaje”. Esta es la acción de transferir metales al semiconductor para aumentar su capacidad de conducir electricidad. Por ejemplo, se puede agregar fósforo al silicio para aumentar su capacidad de conducción.
Resumen de la lección
La teoría de bandas es una teoría extremadamente importante en el electromagnetismo. Establece que la mayoría de las sustancias tienen un rango de volúmenes de energía permitidos para los electrones de un elemento. Este rango se llama banda. Si la brecha entre el rango de energía aceptable de un artículo y el rango requerido para la transmisión eléctrica es demasiado grande, no puede conducir fácilmente la electricidad. Esta brecha se conoce como una banda prohibida. Conductores son materiales que pueden transmitir fácilmente la electricidad. Otro término para estos materiales es “metales”. Los electrones de valencia son el aspecto central de un elemento en el contexto de la teoría de bandas. Los electrones de valencia deben poder alcanzar un cierto nivel de energía para poder conducir la electricidad. Cada elemento tiene un rango de energía típico para sus electrones de valencia. En los conductores, el rango de energía típico de sus electrones de valencia se superpone con el rango de energía requerido para la transmisión eléctrica. Por lo tanto, prácticamente no se necesita manipulación de estos materiales para que se beneficien. El principal tipo de manipulación es el dopaje.
Algunos materiales solo pueden transmitir una cantidad moderada de electricidad, y otros prácticamente nunca pueden transmitir energía. Los elementos que solo pueden transmitir una cantidad moderada de electricidad se denominan semiconductores. Su banda prohibida es pequeña; sin embargo, todavía se necesita manipulación para poder utilizarlos para transmitir electricidad. Los elementos que no se pueden utilizar en los circuitos eléctricos se conocen como aisladores. La brecha entre el rango típico de sus electrones de valencia y la energía eléctrica necesaria es demasiado amplia para que conduzcan electricidad.
Rodrigo Ricardo
Apasionado por compartir conocimientos y ayudar a otros a aprender algo nuevo cada día.
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