Benzi de energie
metale
Electronii de valență, care în alte substanțe produc legături între atomi individuali sau grupuri mici de atomi, sunt împărțiți în mod egal de toți atomii dintr-o bucată de metal. Acești electroni delocați sunt astfel capabili să se deplaseze pe întreaga piesă de metal și să ofere luciu metalic și bune conductivități electrice și termice ale metalelor și aliajelor. Teoria benzilor explică faptul că într-un astfel de sistem nivelurile individuale de energie sunt înlocuite de o regiune continuă numită bandă, ca în diagrama densității statelor pentru metalul de cupru prezentat în figură. Această diagramă arată că numărul de electroni care pot fi adăpostiți în bandă la orice energie dată variază; în cupru numărul scade pe măsură ce banda se apropie de a fi umplută cu electroni. Numărul de electroni din cupru umple banda până la nivelul arătat, lăsând un spațiu gol la energii mai mari.
Când un foton de lumină este absorbit de un electron în apropierea vârfului benzii de energie, electronul este ridicat la un nivel de energie disponibil mai mare în cadrul benzii. Lumina este atât de intens absorbită încât poate pătrunde până la o adâncime de doar câteva sute de atomi, de obicei mai mică decât o singură lungime de undă. Deoarece metalul este un conductor al energiei electrice, această lumină absorbită, care este, până la urmă, o undă electromagnetică, induce curenți electrici alternanți pe suprafața metalului. Acești curenți reamintesc imediat fotonul din metal, oferind astfel o reflectare puternică a unei suprafețe metalice lustruite.
Eficiența acestui proces depinde de anumite reguli de selecție. Dacă eficiența absorbției și reemisiunii este aproximativ egală la toate energiile optice, atunci diferitele culori din lumina albă se vor reflecta la fel de bine, ceea ce duce la culoarea „argintie” a suprafețelor de argint și fier lustruit. În cupru, eficiența reflecției scade odată cu creșterea energiei; reflectivitatea redusă la capătul albastru al spectrului are ca rezultat o culoare roșiatică. Considerații similare explică culoarea galbenă a aurului și aramii.
Semiconductori puri
Într-un număr de substanțe apare o diagonală în diagrama densității stărilor (a se vedea figura). Acest lucru se poate întâmpla, de exemplu, când există o medie de exact patru electroni de valență pe atom într-o substanță pură, rezultând o bandă inferioară complet completă, numită banda de valență și o bandă superioară exact goală, banda de conducere. Deoarece nu există niveluri de energie electronică în intervalul dintre cele două benzi, cea mai mică lumină energetică care poate fi absorbită corespunde săgeții A din figură; aceasta reprezintă excitația unui electron de la vârful benzii de valență până la partea inferioară a benzii de conducere și corespunde energiei de bandă-gol desemnată E g. Lumina cu orice energie mai mare poate fi de asemenea absorbită, așa cum indică săgețile B și C.
Dacă substanța are un interval mare de bandă, cum ar fi 5,4 eV de diamant, atunci nici o lumină din spectrul vizibil nu poate fi absorbită, iar substanța apare incoloră când este pură. Astfel de semiconductori cu bandă mare cu bandă sunt izolatori excelenți și sunt tratați mai des ca materiale ionice sau covalente.
Pigmentul de cadmiu galben (sulfură de cadmiu, cunoscut și sub denumirea de greenockite minerale) are un decalaj de bandă mai mic de 2,6 eV, ceea ce permite absorbția violetului și a unor albastru, dar niciuna din celelalte culori. Acest lucru duce la culoarea sa galbenă. Un decalaj o bandă oarecum mai mic care permite absorbția violetului, albastru și verde produce culoarea portocaliu; un decalaj de bandă încă mai mic ca în 2,0 eV al pigmentului (sulfura mercurică, cinabrul mineral) are ca rezultat toate energiile, dar roșul fiind absorbit, ceea ce duce la o culoare roșie. Toată lumina este absorbită atunci când energia benzii de bandă este mai mică decât limita de 1,77-eV (700-nm) a spectrului vizibil; semiconductoarele cu bandă îngustă, cum ar fi galena cu sulfură de plumb, absorb prin urmare toată lumina și sunt negre. Această secvență de culori incolore, galben, portocaliu, roșu și negru este gama precisă de culori disponibile în semiconductoarele pure.
Semiconductoare dopate
Dacă un atom de impuritate, adesea numit dopant, este prezent într-un semiconductor (care este apoi desemnat dopat) și are un număr diferit de electroni de valență decât atomul pe care îl înlocuiește, pot fi formate niveluri suplimentare de energie în interiorul benzii. Dacă impuritatea are mai mulți electroni, cum ar fi o impuritate a azotului (cinci electroni de valență) într-un cristal de diamant (format din carbuni, fiecare având patru electroni de valență), se formează un nivel de donator. Electronii de la acest nivel pot fi excitați în banda de conducere prin absorbția fotonilor; aceasta are loc numai la capătul albastru al spectrului în diamantul dopat cu azot, rezultând o culoare galbenă complementară. Dacă impuritatea are mai puțini electroni decât atomul pe care îl înlocuiește, cum ar fi o impuritate a borului (trei electroni de valență) din diamant, se formează un nivel de gaură. Fotonii pot fi acum absorbiți cu excitația unui electron din banda de valență până la nivelul găurii. În diamantul dopat cu bor, acest lucru se produce doar la capătul galben al spectrului, rezultând o culoare albastră profundă ca în celebrul diamant Hope.
Unele materiale care conțin atât donatori, cât și acceptoare pot absorbi energie ultraviolete sau electrice pentru a produce lumină vizibilă. De exemplu, pulberile de fosfor, cum ar fi sulfura de zinc care conține cupru și alte impurități, sunt folosite ca acoperire în lămpile fluorescente pentru a converti energia ultravioletă abundentă produsă de arcul de mercur în lumină fluorescentă. Fosforii sunt de asemenea folosiți pentru acoperirea interiorului unui ecran de televiziune, unde sunt activate de un flux de electroni (raze catodice) în catodoluminescență și în vopsele luminoase, unde sunt activate de lumină albă sau de radiații ultraviolete, ceea ce le determină afișează o degradare luminoasă lentă cunoscută sub numele de fosforescență. Electroluminescența rezultă din excitația electrică, ca atunci când o pulbere de fosfor este depusă pe o placă metalică și acoperită cu un electrod conductor transparent pentru a produce panouri de iluminat.
Electroluminescența prin injecție are loc atunci când un cristal conține o joncțiune între regiunile semiconductoare dopate diferit. Un curent electric va produce tranziții între electroni și găurile din regiunea de joncțiune, eliberând energie care poate apărea ca lumină aproape monocromatică, ca în diodele care emit lumina (LED-uri) utilizate pe scară largă pe dispozitivele de afișare în echipamente electronice. Cu o geometrie adecvată, lumina emisă poate fi, de asemenea, monocromatică și coerentă ca în laserele cu semiconductor.
