11.19: Théorie des bandes

La théorie des bandes est similaire à la théorie des orbitales moléculaires et fournit un modèle de comportement électronique dans les solides. Rappelez-vous que lorsque deux atomes ou plus s'assemblent pour former une molécule, leurs orbitales atomiques se chevauchent pour former des orbitales moléculaires des niveuax d'énergie discrète. Lorsque le nombre d'atomes dans la molécule augmente, il en va de même pour le nombre d'orbitales moléculaires.

Les solides ont généralement un nombre extrêmement élevé d'atomes, donc le solide entier serait représenté avec un très grand nombre de orbitales moléculaires espacées. En conséquence, les groupes des orbitales moléculaires seront si étroitement espacés qu'ils peuvent être considérés comme des intervalles continues, ou dbandes, d'énergie que les électrons peuvent occuper. Comme les orbitales moléculaires, ces bandes sont séparés par des lacunes énergétiques.

Si les espaces sont trop larges, les électrons ne peuvent pas les traverser. Dans les conducteurs comme le cuivre, les électrons de valence sont dans une bande ayant également de nombreuses orbitales vides. Les électrons de valence peuvent facilement se déplacer entre les orbitales, permettant aux électrons de circuler librement à travers le solide.

Ces électrons mobiles sont responsables de la bonne conductivité électrique du solide. Les modèles de semi-conducteurs et d'isolants considérent deux bandes:la bande de valence, qui est la bande d'énergie la plus élevée contenant des électrons dans l'état fondamental, et la bande de conduction, qui est la bande juste au-dessus de la bande de valence. La bande de valence a peu ou pas d'orbitales vides, limitant la capacité des électrons de valence à se déplacer vers le solide s'ils ne peuvent pas atteindre les orbitales vides de la bande de conduction.

C'est le comportement observé dans les isolateurs comme le verre, qui a un grand écart d'énergie ou une bande interdite, entre les bandes de valence et de conduction. Les isolants présentent donc une mauvaise conductivité électrique. Si la bande interdite est petite, les électrons de valence peuvent être stimulée vers la bande de conduction et se déplacer librement entre les orbitales vides qui s'y trouvent.

Les orbitales vides que les électrons excités laissent derrière facilitent également le déplacement des électrons dans la bande de valence. C'est le comportement observé dans les semi-conducteurs comme le silicium, qui sont moins conducteurs que les métaux mais plus conducteurs que les isolants.