Teoria das Bandas

Prévia do material em texto

Os metais exibem uma série de propriedades em comum: todos são sólidos nas 
condições ambientes (exceto Hg), têm brilho metálico, maleabilidade (possibilidade de se 
moldar em chapas), ductilidade (capacidade de formar fios), boa condutividade térmica e 
elétrica. Para haver condutividade elétrica, é necessário o movimento de elétrons através 
do meio. A boa condutividade dos metais sugere que existam elétrons semilivres, 
fracamente ligados, nas estruturas metálicas, que possam ser forçados a se mover ao 
longo de todo retículo. 
Os orbitais moleculares numa substância metálica estão deslocalizados por todo o 
retículo cristalino e podem se reunir numa banda de orbitais moleculares cujas energias 
são muito próximas. Uma banda quase contínua é construída por tantos níveis quantos 
forem os orbitais atômicos participantes. Cada nível pode conter dois elétrons de spins 
opostos. 
 
As bandas são constituídas de níveis discretos, muito próximos em energia. No limite 
inferior das bandas (menor energia), os OMs são totalmente ligantes; no limite superior, 
são totalmente antiligantes. Uma região de orbitais moleculares vazios ou incompletos é 
chamada banda de condutividade. A região contendo orbitais preenchidos é chamada 
banda de valência. 
Como os orbitais vizinhos têm energias muito próximas, eles precisam de pequena 
energia adicional para excitar um elétron do orbital molecular de mais alta energia 
(chamado HOMO) para o orbital vazio localizado logo acima (chamado LUMO). Esses 
elétrons podem se movimentar livremente ao longo do sólido, conferindo ao metal as 
propriedades da condutividade elétrica e térmica. 
Quando a absorção de um fóton provoca a promoção de um elétron do metal para um 
estado de energia mais elevado, há um fenômeno de excitação eletrônica. Logo após a 
excitação, pode haver emissão espontânea do fóton absorvido, fazendo com que o 
elétron retorne ao seu nível fundamental. Por causa dessa rápida emissão de luz, a 
superfície de um metal é refletora e tem brilho típico. 
A resistência dos metais aumenta com a temperatura porque, quando aquecidos, os 
átomos vibram mais vigorosamente. Os elétrons em movimento colidem com os átomos, 
dificultando sua movimentação, diminuindo a condutividade elétrica. 
Um isolante elétrico, como o diamante, tem a banda de valência completamente 
preenchida, e os níveis vazios (banda de condução) exibem energias muito elevadas, 
impossibilitando a promoção de um elétron à banda de condução. Assim, não há 
surgimento de corrente elétrica – não existe deslocamento de cargas. 
 
Existem elementos químicos semicondutores que apresentam banda de condução vazia 
com energia próxima à banda de valência completa. Quando o semicondutor é aquecido, 
elétrons podem ser excitados da banda de valência para a de condução. Assim, a 
resistência de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura. 
A capacidade de um semicondutor de transportar corrente elétrica pode ser ampliada com 
a adição de elétrons na banda de condução ou com a remoção de elétrons da banda de 
valência. Esses processos são feitos espalhando pequenas quantidades de impurezas 
nos sólidos. Este procedimento é chamado de dopagem. 
Como exemplo, o caso do silício de alta pureza, que é um semicondutor. Uma dopagem 
que pode ser feita ao Si (Z = 14; 4 elétrons de valência) é a inclusão de uma quantidade 
de elemento do grupo 15, como arsênio, que tem cinco elétrons de valência. Os elétrons 
adicionais entram na banda de condução do silício e permitem que ele conduza a corrente 
elétrica mais facilmente. Este é um exemplo de semicondutor do tipo n, porque tem 
excesso de elétrons. 
 
Quando o silício é dopado com índio (grupo 13), a estrutura terá menos elétrons de 
valência – a banda de valência não estará completamente preenchida. Neste caso, tem-
se um semicondutor do tipo p, que apresenta “buracos” positivamente carregados na 
banda de valência. A migração de elétrons dentro da banda de valência é responsável 
pela condutividade num semicondutor do tipo p. 
 
De maneira geral, ligações em sólidos podem ser descritas em termos de bandas 
(conjuntos) de orbitais moleculares. Em metais (condutores), as bandas de condução são 
orbitais não totalmente preenchidos que permitem que os elétrons fluam. Nos isolantes, 
as bandas de valência estão completas e a grande distância energética entre as bandas 
de condução e valência evita o deslocamento dos elétrons para os orbitais vazios. Nos 
semicondutores, níveis vazios estão próximos, em energia, aos níveis completos.