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Capítulo 15:

 Niveles y bandas de energía

Las ideas y los conceptos vistos anteriormente los analizaremos ahora desde un punto de vista energético.

Hablar de Radios y de Energías es lo mismo. Cuanto mayor sea el radio mayor será también la energía.

Existen diversas maneras de darle energía a un electrón, por:

Energía Térmica.

Energía Luminosa (fotón E = h x f).

Campo Eléctrico.

etc...

Si se le da energía a un electrón para que pase de E1 a E2, este electrón puede pasar de una orbita a otra.

Niveles y bandas de energía

Ese electrón vuelve enseguida, al volver tiene que ceder o soltar la energía. Puede hacerlo de 2 formas:

Al volver sale un fotón de luz:

E2 - E1 = h x f

        Una aplicación de esta característica se ve en los Diodos Led, que dependiendo de las energías tendrán diferentes colores, y también pueden soltar fotones invisibles a frecuencias en las que la vista no puede captarlas.

También se suelta energía en forma de calor, energía térmica (calentamiento del diodo).

 Las energías las representaremos gráficamente de esta manera:

Niveles y bandas de energía

Hasta ahora hemos visto un átomo aislado, pero en un cristal tenemos que aplicar el "Principio de Exclusión de Pauli":

"En un sistema electrónico no puede haber 2 electrones con los mismos números cuánticos".

Esto es, que no puede haber 2 electrones con la misma energía.

Bandas de Energía en un Semiconductor Intrínseco

Anteriormente hemos visto que los semiconductores intrínsecos eran aquellos que no tenían impurezas, esto es, todos son átomos de Si.

Niveles y bandas de energía

Al aplicar el principio de exclusión de Pauli el electrón de energía E1 de un átomo y el electrón de energía E1 del átomo vecino se han de separar en energía. Como hay una gran cantidad de átomos aparecen muchos niveles energéticos con una separación muy pequeña, formando la 1ª Banda de Energía.

Los electrones de energía E2 se separan en energía formando la 2ª Banda de Energía.

Y así sucesivamente con el resto de energías se van creando Bandas de Energía (grupos de niveles energéticos). El resultado es el siguiente:

Niveles y bandas de energía

Como es difícil sacar un electrón de las bandas inferiores, no nos interesan las 2 bandas inferiores, no las tendremos en cuenta, así tendríamos:

Niveles y bandas de energía

Estas 2 bandas son las creadas por los 4 electrones de la última órbita del átomo.

A 0 ºK los 4 electrones de cada átomo están en la Banda de Valencia (cada uno en un radio o energía permitido).

Niveles y bandas de energía

BC = Banda de Conducción
BV = Banda de Valencia

A 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún electrón puede conseguir suficiente energía como para pasar a la Banda de Conducción, dejando así un hueco en la Banda de Valencia.

Niveles y bandas de energía

Recordar que a esto le llamábamos Generación Térmica de Pares electrón libre-hueco. Cuanto más aumente la temperatura, más electrones suben debido a la generación térmica.

Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la temperatura conduce más. Ahora veremos que es lo que ocurre con los semiconductores con impurezas.

Bandas de Energía en un Semiconductor tipo n

Tenemos muy pocos átomos de impurezas (+5) en comparación con los átomos normales de Silicio (+4).

Como se impurifica muy poco, los átomos de +5 están muy alejados y no se influyen entre si, pudiendo tener electrones de átomos diferentes la misma energía y por lo tanto están todos al mismo nivel. Esa energía que tienen se llama "Energía del átomo Donador" (ED).

En cuanto se le de una pequeña energía los electrones suben a la BC y se convierten en libres.

Niveles y bandas de energía

También se da la generación térmica (generación de pares hueco-electrón), pero lo que más ocurre es debido a las impurezas y muy poco por generación térmica, por lo que despreciaremos esta última.

Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p

En este caso las impurezas son átomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y están muy alejados por lo que los electrones de átomos diferentes están al mismo nivel energético. Esa energía es la "Energía del átomo Aceptor" (EA).

A 300 ºK o más, el electrón cercano a EA sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras que la EA se llena de electrones. Se sigue dando generación térmica también, pero como antes es despreciable.

Niveles y bandas de energía

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