¿Qué es la teoría de bandas?
La teoría de bandas se utiliza para explicar cómo los átomos metálicos se unen entre sí y por qué son tan buenos conductores de la electricidad mientras que otros materiales son aislantes. En otras palabras, es una teoría que explica cómo funciona el enlace metálico.
En cualquier trozo de metal, como en un clavo o en un pedazo de cable de cobre, por ejemplo, los átomos se encuentran muy unidos y muy cercanos unos de otros.
Según la teoría de bandas, debido a esta cercanía, sus orbitales atómicos (el lugar donde se encuentran sus electrones) se mezclan para formar un solo orbital gigante que se asemeja más a una “banda” que a un orbital.
Cuando esto sucede, se forman básicamente dos bandas que son la Banda de Valencia y la Banda de Conducción (por eso el plural en teoría de bandas).
La banda de valencia
Esta banda se forma por la combinación de los orbitales de valencia de cada átomo. Estos son los últimos orbitales que están ocupados por electrones en cada átomo individual.
La banda de valencia es el lugar donde se encuentran los electrones de un metal cuando los átomos están relajados. Es decir, cuando no se han excitado por la aplicación de un potencial eléctrico, por ejemplo.
La banda de conducción
La banda de conducción se forma por la combinación de los primeros orbitales desocupados o vacíos de cada átomo. Por lo general, la banda de conducción está formada por orbitales p o d que se solapan unos con otros de manera lateral. Esto da origen a una banda que se asemeja a una autopista que pasa por el espacio que está encima y por debajo de las capas de átomos.
Cuando un electrón entra en la capa de conducción, se dice que está “deslocalizado”, ya que se puede mover libremente de un lado a otro, y no se encuentra localizado alrededor de ningún átomo en particular.
Una analogía útil
Para comprender mejor cómo es la estructura de las bandas que se forman en los metales, resulta conveniente utilizar algunas analogías.
Podemos imaginar a un sólido de cualquier sustancia como si fuese un edificio en el que cada apartamento representa un átomo, y dentro de cada apartamento, las habitaciones con su respectiva cama pueden verse como los orbitales dónde residen los electrones.
En un material no conductor, todos los electrones se encuentran localizados alrededor de su respectivo átomo. Esto es lo mismo que decir que cada apartamento está cerrado y los electrones no son libres de moverse de un “apartamento” a otro (es decir, de un átomo a otro), simplemente porque se requiere mucha energía para poder abrir todas las puertas y salir.
En cambio, en un material conductor como un metal, las cosas son muy diferentes. Los átomos están tan cerca el uno del otro, que sus orbitales (las habitaciones) se combinan entre sí para formar un solo orbital gigante. Esto sería como tumbar todas las paredes en un piso y hacer una sola habitación común llena de camas.
Esta habitación gigante sería el equivalente de la “banda de valencia”, en la cual se encuentran los electrones en sus respectivas camas, pero todos están en la misma habitación. Además de formarse esta habitación, justo al lado se puede conseguir un pasillo amplio que los electrones pueden utilizar para moverse de un lugar a otro.
Este pasillo grande representa lo que llamamos la “banda de conducción”. Cuando los electrones están en el pasillo, no están localizados en ningún átomo en particular (están deslocalizados) y se pueden mover libremente de un lugar a otro sin ningún problema.
La conducción eléctrica y la teoría de bandas
Una vez se entienda la formación de las bandas de valencia y conducción, es fácil comprender por qué algunos materiales son buenos conductores y por qué otros no.
La clave de la conducción eléctrica se encuentra en qué tan difícil es mover o excitar a los electrones que se encuentran en la banda de valencia hasta la banda de conducción.
Esto solo depende de qué tan cerca se encuentren los niveles de energía de ambas bandas. En función de esta diferencia de energía, se pueden distinguir tres tipos de materiales:
Materiales conductores
Los materiales conductores, como los metales, se caracterizan por tener bandas de valencia y de conducción prácticamente juntas y casi sin diferencia de energía entre una y otra.
Esto quiere decir que la mínima excitación es capaz de promover a los electrones de la capa de valencia y pasarlos a la capa de conducción, desde donde pueden moverse libremente, conduciendo así la electricidad.
Según la analogía mencionada anteriormente, esto sería como decir que casi no hay nada que separe la habitación común (la banda de valencia) del pasillo (la banda de conducción). Por esta razón, un electrón puede llegar fácilmente al pasillo, sin ninguna puerta que le impida su paso.
Materiales no conductores o aislantes
¿Qué sucede con materiales como los plásticos o la madera que no conducen la electricidad? En los casos de los materiales aislantes, la banda de valencia y la banda de conducción tienen diferencias de energía muy grandes.
Esto quiere decir que, para poder llevar a un electrón desde la capa de valencia hasta la de conducción se requiere invertir demasiada energía, así que estos materiales no conducen la electricidad en condiciones normales.
En la analogía del edificio, esto se puede ver como que los electrones deben atravesar muchas puertas cerradas para poder salir de sus habitaciones hasta el pasillo. Se encuentran literalmente atrapados en sus respectivos átomos.
Materiales semiconductores
Entre los materiales conductores y los no conductores podemos encontrar a un tercer grupo de materiales denominados semiconductores.
En estos materiales, las bandas de valencia y de conducción no están una al lado de la otra como en los materiales conductores, por lo que existe una brecha de energía que los electrones deben superar para poder pasar a la banda de conducción. Sin embargo, esta brecha o diferencia de energía no es tan alta como en el caso de los materiales no conductores.
La brecha de energía entre las dos bandas no les permite a estos materiales conducir la electricidad a temperaturas bajas. Sin embargo, cuando se aumenta la temperatura, la energía de las vibraciones de los átomos resulta suficiente para excitar a algunos electrones a la banda de conducción, por lo que el material puede conducir la electricidad.
Como estos materiales a veces son aislantes y a veces son conductores, entonces se les denomina materiales semiconductores. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el Silicio, el Galio y el Selenio.