Conduttori, isolanti e 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, indipendentemente dal non completo o completo riempimento della banda di valenza, è tipico dei materiali conduttori: infatti stante il limitato numero di elettroni di valenza degli atomi degli elementi metallici, è molto frequente il caso in cui la banda di valenza dei metalli non è completamente riempita di elettroni, oppure, ove si fosse verificato il completo riempimento della banda di valenza, in conseguenza della struttura cristallina compatta dei metalli accade che la banda di valenza, sebbene completamente riempita di elettroni, è adiacente o addirittura parzialmente sovrapposta a quella di conduzione.

Pertanto, se alle due estremità libere di un filo metallico viene applicato un campo elettrico, accade che se la banda di valenza è parzialmente riempita di elettroni, diventa essa stessa banda di conduzione.

Infatti, gli elettroni in essa contenuti, possono essere facilmente promossi sui livelli energetici della stessa banda, e il movimento di questi  elettroni, detti elettroni di conduzione genera un flusso di corrente elettrica nell’interno del filo metallico. Ovviamente il medesimo risultato si ottiene se la banda di valenza, completamente riempita, è adiacente o parzialmente sovrapposta alla banda di conduzione: gli elettroni, infatti non trovano alcun impedimento per poter scorrere dalla banda di valenza (piena) a quella di conduzione (vuota).

In questo modo viene anche spiegato il motivo per il quale un aumento di temperatura provoca la diminuzione della conduzione elettrica dei metalli: l’aumento di temperatura, infatti, incrementa le oscillazioni dei cationi del metallo che formano l’edificio cristallino, e pertanto viene ostacolato, nell’ambito della stessa banda o delle due bande ( valenza e conduzione), il libero flusso di elettroni.

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 di qualche elettronvolt per mole di elettroni, nei semiconduttori il gap di energia fra le due bande è minore di un elettronvolt per mole di elettroni.

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Author: Chimicamo

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