Bandes d’energia
Metalls
Els electrons de valència, que en altres substàncies produeixen unió entre àtoms individuals o grups reduïts d'àtoms, són compartits per igual per tots els àtoms en un tros de metall. Així, aquests electrons deslocalitzats són capaços de desplaçar-se per tota la peça metàl·lica i proporcionen el llustre metàl·lic i bones conductivitats elèctriques i tèrmiques de metalls i aliatges. La teoria de bandes explica que en aquest sistema els nivells d’energia individuals es substitueixen per una regió contínua anomenada banda, com en el diagrama de densitat d’estats del metall de coure que es mostra a la figura. Aquest diagrama mostra que el nombre d’electrons que es poden allotjar a la banda a qualsevol energia donada varia; al coure, el nombre decau a mesura que la banda s’acosta a omplir-se d’electrons. El nombre d’electrons del coure omple la banda fins al nivell mostrat, deixant un espai buit a energies superiors.
Quan un electró de llum és absorbit per un electró a prop de la part superior de la banda d’energia, l’electró s’eleva a un nivell d’energia disponible més elevat dins de la banda. La llum és tan intensament absorbida que pot penetrar fins a una profunditat de només uns centenars d’àtoms, normalment menys d’una sola longitud d’ona. Com que el metall és un conductor de l’electricitat, aquesta llum absorbida, que és, al capdavall, una ona electromagnètica, indueix corrents elèctrics alternatius a la superfície del metall. Aquests corrents rememoren immediatament el fotó del metall, proporcionant així el fort reflex d’una superfície de metall polit.
L’eficiència d’aquest procés depèn de determinades regles de selecció. Si l'eficiència d'absorció i reemissió és aproximadament igual a totes les energies òptiques, els diferents colors de la llum blanca es reflectiran igualment bé, donant lloc al color "platejat" de les superfícies de plata i ferro polides. Al coure, l'eficiència de la reflexió disminueix amb l'augment de l'energia; la reduïda reflectivitat a l’extrem blau de l’espectre dóna lloc a un color vermellós. Consideracions similars expliquen el color groc de l’or i el llautó.
Semiconductors purs
En diverses substàncies apareix una bretxa de banda en el diagrama de densitat d'estats (vegeu la figura). Això pot succeir, per exemple, quan hi ha una mitjana exactament de quatre electrons de valència per àtom en una substància pura, donant com a resultat una banda inferior completament completa, anomenada banda de valència, i una banda superior exactament buida, la banda de conducció. Com que no hi ha nivells d’energia d’electrons a la bretxa entre les dues bandes, la llum d’energia més baixa que es pot absorbir correspon a la fletxa A de la figura; això representa l’excitació d’un electró des de la part superior de la banda de valència fins a la part inferior de la banda de conducció i correspon a l’energia del buit de banda designada E g. També es pot absorbir llum de qualsevol energia superior, tal com indiquen les fletxes B i C.
Si la substància té una gran bretxa, com els 5,4 eV de diamant, no es pot absorbir cap llum de l’espectre visible i la substància apareix incolora quan sigui pura. Aquests semiconductors de bretxa de grans bandes són excel·lents aïllants i es solen tractar com a materials iònics o covalents.
El groc de cadmi de pigment (sulfur de cadmi, també conegut com el mineral greenockite) té un interval de banda més reduït de 2,6 eV, que permet l’absorció de violeta i d’altres blaus, però cap dels altres colors. Això porta al seu color groc. Una escletxa de banda una mica més petita que permet l’absorció de violeta, blau i verd produeix el color taronja; una bretxa de banda encara més petita com en els 2.0 eV del vermiló del pigment (sulfur de mercuri, el cinabri mineral) produeix totes les energies, però l'absorció del vermell, que condueix a un color vermell. Tota llum s’absorbeix quan l’energia del buit de banda és inferior al límit d’1,77-eV (700-nm) de l’espectre visible; Els semiconductors d'estret de banderes estretes, com la galena de sulfur de plom, per tant absorbeixen tota la llum i són negres. Aquesta seqüència de colors incolors, groc, taronja, vermell i negre és la gamma precisa de colors disponibles en semiconductors purs.
Semiconductors dopats
Si un àtom de impuresa, sovint anomenat dopant, està present en un semiconductor (que després es designa dopat) i té un nombre diferent d’electrons de valència que l’àtom que substitueix, es poden formar nivells d’energia extra dins del buit de banda. Si la impuresa té més electrons, com ara una impuresa de nitrogen (cinc electrons de valència) en un cristall de diamant (format per carbonis, cadascun dels quals té quatre electrons de valència), es forma un nivell de donant. L’absorció de fotons es pot excitar als electrons d’aquest nivell a la banda de conducció; això només es produeix a l'extrem blau de l'espectre en un diamant dopat amb nitrogen, resultant en un color groc complementari. Si la impuresa té menys electrons que l’àtom que substitueix, com ara una impuresa de boro (tres electrons de valència) al diamant, es forma un nivell de forat. Els fotons es poden absorbir amb l'excitació d'un electró de la banda de valència fins al nivell del forat. En els diamants dopats amb boro, això només es produeix a l'extrem groc de l'espectre, resultant en un color blau profund com en el famós diamant Hope.
Alguns materials que contenen donants i receptors poden absorbir energia ultraviolada o elèctrica per produir llum visible. Per exemple, les pols de fòsfor, com el sulfur de zinc que conté coure i altres impureses, s’utilitzen com a recobriment en làmpades fluorescents per convertir l’energia ultraviolada abundant produïda per l’arc de mercuri en llum fluorescent. Els fòsfors també s’utilitzen per revestir l’interior d’una pantalla de televisió, on són activats per un corrent d’electrons (rajos catòdics) en catodoluminescència, i en pintures lluminoses, on s’activen per llum blanca o per radiació ultraviolada, cosa que provoca que mostra una lenta càries lumínica coneguda com a fosforescència. L’electroluminescència resulta d’excitació elèctrica, com quan es deposita una pols de fòsfor sobre una placa metàl·lica i es recobreix amb un elèctrode conductor transparent per produir panells d’il·luminació.
L'electroluminescència per injecció es produeix quan un cristall conté una unió entre regions semiconductores dopades de manera diferent. Un corrent elèctric produirà transicions entre electrons i forats a la regió de la unió, alliberant energia que pot aparèixer com a llum quasi monocromàtica, com en els díodes emissors de llum (LED) àmpliament utilitzats en dispositius de visualització en equips electrònics. Amb una geometria adequada, la llum emesa també pot ser monocromàtica i coherent com en els làsers semiconductors.
