Banda di valenza

Figura 1. Un diagramma che mostra le bande di valenza e di conduzione di isolanti, metalli e semiconduttori. Il livello di Fermi è il nome dato all’orbitale di elettroni occupato alla massima energia allo zero assoluto.

La banda di valenza è la banda di orbitali elettronici da cui gli elettroni possono saltare fuori, spostandosi nella banda di conduzione quando sono eccitati. La banda di valenza è semplicemente l’orbitale elettronico più esterno di un atomo di qualsiasi materiale specifico che gli elettroni occupano effettivamente. Questo è strettamente legato all’idea dell’elettrone di valenza.

La differenza di energia tra il più alto stato energetico occupato della banda di valenza e il più basso stato non occupato della banda di conduzione è chiamato il band gap ed è indicativo della conduttività elettrica di un materiale. Un grande band gap significa che è necessaria molta energia per eccitare gli elettroni di valenza verso la banda di conduzione. Al contrario, quando la banda di valenza e la banda di conduzione si sovrappongono come nei metalli, gli elettroni possono facilmente saltare tra le due bande (vedi Figura 1), il che significa che il materiale è altamente conduttivo.

La differenza tra conduttori, isolanti e semiconduttori può essere mostrata da quanto è grande il loro band gap. Gli isolanti sono caratterizzati da un grande band gap, quindi è necessaria una quantità proibitiva di energia per spostare gli elettroni fuori dalla banda di valenza per formare una corrente. I conduttori hanno una sovrapposizione tra la banda di conduzione e quella di valenza, quindi gli elettroni di valenza in tali conduttori sono essenzialmente liberi. I semiconduttori, d’altra parte, hanno un piccolo band gap che permette ad una frazione significativa degli elettroni di valenza del materiale di spostarsi nella banda di conduzione data una certa quantità di energia. Questa proprietà dà loro una conduttività tra i conduttori e gli isolanti, che è parte della ragione per cui sono ideali per i circuiti, in quanto non causano un corto circuito come un conduttore. Questo gap di banda permette anche ai semiconduttori di convertire la luce in elettricità nelle celle fotovoltaiche e di emettere luce come LED quando sono fatti in certi tipi di diodi. Entrambi questi processi si basano sull’energia assorbita o rilasciata dagli elettroni che si muovono tra la banda di conduzione e quella di valenza.