CONDUTTORI, ISOLANTI, SEMICONDUTTORI
La teoria delle bande fornisce una esauriente interpretazione delle proprietà elettriche dei conduttori ( metalli e leghe), degli isolanti ( non metalli) e dei semiconduttori (semimetalli). A tal fine rivestono notevole importanza due bande di energia: la banda di valenza e la banda di conduzione.
La banda di valenza è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il materiale: metallo, isolante, semiconduttore. Essa, in dipendenza dalla natura del materiale, può essere completamente oppure parzialmente riempita di elettroni.
La banda di conduzione è quella che prende origine dall’interazione degli orbitali atomici caratterizzati da energia più elevata di quella degli orbitali atomici di valenza degli atomi che costituiscono il cristallo, e pertanto l’energia di questa banda è maggiore dell’energia della banda di valenza. La banda di conduzione, a differenza della banda di valenza, è normalmente vuota in quanto essa prende origine da orbitali atomici che di norma non ospitano elettroni.
Queste due bande di energia, in dipendenza della reciproca posizione degli atomi che costituiscono il cristallo possono:
- essere adiacenti o addirittura parzialmente sovrapposte; in questo caso è molto facile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra
- essere separate da una zona proibita di energia denominata gap di energia: in questo caso è molto difficile lo scorrimento degli elettroni da una banda all’altra.
Il primo caso è tipico dei materiali conduttori: gli elettroni non trovano alcun impedimento per poter scorrere dalla banda di valenza (piena) a quella di conduzione (vuota).
Il secondo caso, in cui le due bande, quella di valenza completamente piena di elettroni e quella di conduzione (vuota) sono separate da un gap di energia, è invece quello tipico degli isolanti e dei semiconduttori.
Con questa sostanziale differenza però: mentre negli isolanti la banda di valenza è separata da quella di conduzione da un gap di energia il cui ammontare è maggiore di 1,6 elettronvolt, nei semiconduttori il gap di energia fra le due bande è minore di 1,6 elettronvolt.
Pertanto, se alle due estremità libere di un materiale cristallino isolante viene applicato un campo elettrico, gli elettroni della banda di valenza non possono essere promossi sui livelli energetici della banda di conduzione, in quanto l’energia del campo elettrico applicato non è sufficiente per vincere il gap di energia proibita che divide le due bande; non è pertanto possibile un flusso di corrente elettrica nell’interno del materiale isolante.
Se alle due estremità libere di un materiale semiconduttore puro viene applicato un campo elettrico,
accade che gli elettroni della banda di valenza completamente piena possono essere promossi in
quella di conduzione vuota, in quanto l’energia del campo elettrico applicato è sufficiente a vincere il gap di energia esistente tra le due bande
Tipici semiconduttori sono il germanio e il silicio
Le bande di valenza e di conduzione dei conduttori, semiconduttori e isolanti sono mostrate in figura:
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