Bandas de energía
Rieles
Los electrones de valencia, que en otras sustancias producen enlaces entre átomos individuales o pequeños grupos de átomos, son compartidos equitativamente por todos los átomos en una pieza de un metal. Por lo tanto, estos electrones deslocalizados pueden moverse sobre toda la pieza de metal y proporcionar el brillo metálico y buenas conductividades eléctricas y térmicas de metales y aleaciones. La teoría de la banda explica que en dicho sistema los niveles de energía individuales se reemplazan por una región continua llamada banda, como en el diagrama de densidad de estados para el metal de cobre que se muestra en la figura. Este diagrama muestra que el número de electrones que pueden acomodarse en la banda en cualquier energía dada varía; en cobre, el número disminuye a medida que la banda se acerca a llenarse de electrones. El número de electrones en el cobre llena la banda hasta el nivel que se muestra, dejando un espacio vacío a energías más altas.
Cuando un electrón absorbe un fotón de luz cerca de la parte superior de la banda de energía, el electrón se eleva a un nivel de energía disponible más alto dentro de la banda. La luz se absorbe tan intensamente que puede penetrar hasta una profundidad de unos pocos cientos de átomos, típicamente menos de una sola longitud de onda. Debido a que el metal es un conductor de electricidad, esta luz absorbida, que es, después de todo, una onda electromagnética, induce corrientes eléctricas alternas en la superficie del metal. Estas corrientes reemiten inmediatamente el fotón fuera del metal, proporcionando así el fuerte reflejo de una superficie metálica pulida.
La eficiencia de este proceso depende de ciertas reglas de selección. Si la eficiencia de absorción y reemisión es aproximadamente igual en todas las energías ópticas, entonces los diferentes colores en la luz blanca se reflejarán igualmente bien, lo que conducirá al color "plateado" de las superficies de plata pulida y hierro. En cobre, la eficiencia de la reflexión disminuye al aumentar la energía; La reflectividad reducida en el extremo azul del espectro da como resultado un color rojizo. Consideraciones similares explican el color amarillo del oro y el latón.
Semiconductores puros
En varias sustancias, aparece un intervalo de banda en el diagrama de densidad de estados (ver figura). Esto puede suceder, por ejemplo, cuando hay un promedio de exactamente cuatro electrones de valencia por átomo en una sustancia pura, lo que resulta en una banda inferior completamente completa, llamada banda de valencia, y una banda superior exactamente vacía, la banda de conducción. Debido a que no hay niveles de energía de electrones en el espacio entre las dos bandas, la luz de energía más baja que puede ser absorbida corresponde a la flecha A en la figura; esto representa la excitación de un electrón desde la parte superior de la banda de valencia hasta la parte inferior de la banda de conducción y corresponde a la energía de banda prohibida designada E g. La luz de cualquier energía superior también puede ser absorbida, como lo indican las flechas B y C.
Si la sustancia tiene una gran brecha de banda, como los 5.4 eV del diamante, entonces no se puede absorber la luz en el espectro visible, y la sustancia parece incolora cuando es pura. Tales semiconductores de banda ancha son aislantes excelentes y se tratan más habitualmente como materiales iónicos o unidos covalentemente.
El pigmento amarillo de cadmio (sulfuro de cadmio, también conocido como mineral greenockita) tiene una brecha de banda más pequeña de 2.6 eV, lo que permite la absorción de violeta y algo de azul, pero ninguno de los otros colores. Esto lleva a su color amarillo. Una brecha de banda algo más pequeña que permite la absorción de violeta, azul y verde produce el color naranja; una brecha de banda aún más pequeña como en el 2.0 eV del pigmento bermellón (sulfuro mercúrico, el mineral cinabrio) produce todas las energías, pero el rojo se absorbe, lo que conduce a un color rojo. Toda la luz se absorbe cuando la energía de banda prohibida es menor que el límite de 1.77-eV (700 nm) del espectro visible; Los semiconductores de banda estrecha, como la galena de sulfuro de plomo, absorben toda la luz y son negros. Esta secuencia de incoloro, amarillo, naranja, rojo y negro es la gama precisa de colores disponibles en semiconductores puros.
Semiconductores dopados
Si un átomo de impureza, a menudo llamado dopante, está presente en un semiconductor (que luego se designa como dopado) y tiene un número diferente de electrones de valencia que el átomo al que reemplaza, se pueden formar niveles de energía adicionales dentro del intervalo de banda. Si la impureza tiene más electrones, como una impureza de nitrógeno (cinco electrones de valencia) en un cristal de diamante (que consiste en carbonos, cada uno con cuatro electrones de valencia), se forma un nivel de donante. Los electrones de este nivel pueden excitarse en la banda de conducción mediante la absorción de fotones; esto ocurre solo en el extremo azul del espectro en el diamante dopado con nitrógeno, lo que da como resultado un color amarillo complementario. Si la impureza tiene menos electrones que el átomo al que reemplaza, como una impureza de boro (tres electrones de valencia) en el diamante, se forma un nivel de agujero. Los fotones ahora pueden ser absorbidos con la excitación de un electrón desde la banda de valencia hacia el nivel del agujero. En el diamante dopado con boro, esto ocurre solo en el extremo amarillo del espectro, dando como resultado un color azul profundo como en el famoso diamante Hope.
Algunos materiales que contienen donantes y aceptores pueden absorber energía ultravioleta o eléctrica para producir luz visible. Por ejemplo, los polvos de fósforo, como el sulfuro de zinc que contiene cobre y otras impurezas, se usan como recubrimiento en lámparas fluorescentes para convertir la abundante energía ultravioleta producida por el arco de mercurio en luz fluorescente. Los fósforos también se usan para recubrir el interior de una pantalla de televisión, donde se activan por una corriente de electrones (rayos catódicos) en catodoluminiscencia y en pinturas luminosas, donde se activan con luz blanca o con radiación ultravioleta, lo que hace que mostrar una lenta disminución luminosa conocida como fosforescencia. La electroluminiscencia resulta de la excitación eléctrica, como cuando un polvo de fósforo se deposita sobre una placa metálica y se cubre con un electrodo conductor transparente para producir paneles de iluminación.
La electroluminiscencia por inyección ocurre cuando un cristal contiene una unión entre regiones semiconductoras dopadas de manera diferente. Una corriente eléctrica producirá transiciones entre electrones y agujeros en la región de unión, liberando energía que puede aparecer como luz casi monocromática, como en los diodos emisores de luz (LED) ampliamente utilizados en dispositivos de visualización en equipos electrónicos. Con una geometría adecuada, la luz emitida también puede ser monocromática y coherente como en los láseres de semiconductores.
