Bandas de energía: qué permite que un material conduzca
Una sola brecha prohibida decide el flujo
La banda azul de abajo es la banda de valencia, llena de electrones, y la banda de contorno naranja de arriba es la banda de conducción, vacía. Para que circule corriente, los electrones deben subir a la banda superior y encontrar sitio libre, y el intervalo marcado en rojo entre las dos bandas es esa brecha. De los tres materiales, distingue cuáles mandan electrones hacia arriba fijándote en los electrones dorados que se desplazan por la banda superior.
Una banda llena no lleva corriente
Un electrón solo puede desplazarse en una dirección si tiene un sitio libre al que moverse. En una banda con todos los sitios ocupados, como la de valencia, un electrón que quiere ir a la derecha no tiene adónde ir, y cada vez que uno se mueve otro se ve empujado lo mismo en sentido contrario, así que los movimientos se anulan. Por eso la corriente neta es 0 por muchos electrones que tenga una banda llena.
Cruzar el hueco crea el flujo
Cuando unos pocos electrones suben a la banda de conducción vacía, se abren dos canales a la vez: en la banda superior, los electrones que subieron recorren un espacio amplio y libre, y en la inferior se mueven los sitios vacíos que dejaron, los huecos. El número que sube lo decide una pugna entre la energía térmica kT y la brecha Eg, y cae exponencialmente a medida que la brecha crece.
El tamaño del hueco define tres clases
Sin brecha, con las bandas solapadas, los electrones siempre tienen sitio libre al lado, y el material es un conductor. Con una brecha de varios eV, demasiado ancha para que el calor ambiente la cruce, es un aislante. Entre ambos, con una brecha estrecha de alrededor de 1 eV, está el semiconductor. Como su brecha es pequeña, su flujo se puede encender y apagar con calor, dopaje o luz, y justo por eso los semiconductores son útiles.
De vuelta a la primera pantalla
Los que mandaron electrones a la banda superior fueron el conductor y el semiconductor. El conductor no tiene brecha, así que los electrones dorados siempre circulan por la banda superior; el semiconductor apenas logra subir electrones por encima de su brecha estrecha con el calor y forma un flujo delgado con unos pocos electrones y otros tantos huecos. El aislante, bloqueado por su brecha ancha, mantuvo sus electrones atrapados en la banda llena, sin poder dar un solo paso. Al final, lo que decidió el flujo no fue el número de electrones sino la única brecha entre la banda llena y la vacía.
Lo que sigue
Una brecha estrecha deja margen para trabajar con un semiconductor. La siguiente unidad mezcla una cantidad mínima de átomos de impureza (dopaje) para hacer deliberadamente mayoritarios a los electrones de la banda superior o a los huecos de la inferior. Uniendo el tipo n y el tipo p así fabricados se obtiene la unión pn, el núcleo del diodo.