Fasce energetiche
metalli
Gli elettroni di valenza, che in altre sostanze producono legame tra singoli atomi o piccoli gruppi di atomi, sono equamente condivisi da tutti gli atomi in un pezzo di metallo. Questi elettroni delocalizzati sono quindi in grado di spostarsi sull'intero pezzo di metallo e fornire lucentezza metallica e buone conduttività elettriche e termiche di metalli e leghe. La teoria delle bande spiega che in un tale sistema i singoli livelli di energia sono sostituiti da una regione continua chiamata banda, come nel diagramma della densità degli stati per il metallo di rame mostrato nella figura. Questo diagramma mostra che il numero di elettroni che possono essere sistemati nella banda a una data energia varia; nel rame il numero diminuisce quando la banda si avvicina per essere riempita di elettroni. Il numero di elettroni nel rame riempie la banda al livello mostrato, lasciando uno spazio vuoto a energie più elevate.
Quando un fotone di luce viene assorbito da un elettrone vicino alla parte superiore della banda di energia, l'elettrone viene elevato a un livello di energia disponibile più elevato all'interno della banda. La luce viene assorbita così intensamente che può penetrare fino a una profondità di poche centinaia di atomi, in genere inferiore a una singola lunghezza d'onda. Poiché il metallo è un conduttore di elettricità, questa luce assorbita, che è, dopo tutto, un'onda elettromagnetica, induce correnti elettriche alternate sulla superficie del metallo. Queste correnti emettono immediatamente il fotone fuori dal metallo, fornendo così il forte riflesso di una superficie di metallo lucido.
L'efficienza di questo processo dipende da alcune regole di selezione. Se l'efficienza di assorbimento e riemissione è approssimativamente uguale a tutte le energie ottiche, i diversi colori nella luce bianca si riflettono ugualmente bene, portando al colore "argenteo" delle superfici in argento lucido e ferro. Nel rame l'efficienza della riflessione diminuisce all'aumentare dell'energia; la ridotta riflettività all'estremità blu dello spettro risulta in un colore rossastro. Considerazioni simili spiegano il colore giallo di oro e ottone.
Semiconduttori puri
In un certo numero di sostanze appare un gap di banda nel diagramma della densità degli stati (vedi figura). Ciò può accadere, ad esempio, quando vi è una media di esattamente quattro elettroni di valenza per atomo in una sostanza pura, risultando in una banda inferiore completamente piena, chiamata banda di valenza, e una banda superiore esattamente vuota, la banda di conduzione. Poiché non vi sono livelli di energia elettronica nello spazio tra le due bande, la luce a energia più bassa che può essere assorbita corrisponde alla freccia A nella figura; ciò rappresenta l'eccitazione di un elettrone dalla parte superiore della banda di valenza fino alla parte inferiore della banda di conduzione e corrisponde all'energia del gap di banda designata E g. La luce di qualsiasi energia superiore può anche essere assorbita, come indicato dalle frecce B e C.
Se la sostanza ha un ampio intervallo di banda, come ad esempio 5,4 eV di diamante, allora nessuna luce nello spettro visibile può essere assorbita e la sostanza appare incolore quando è pura. Tali semiconduttori a banda larga sono isolanti eccellenti e sono più comunemente trattati come materiali ionici o legati covalentemente.
Il giallo cadmio pigmento (solfuro di cadmio, noto anche come greenockite minerale) ha un intervallo di banda minore di 2,6 eV, che consente l'assorbimento del viola e del blu ma nessuno degli altri colori. Questo porta al suo colore giallo. Un gap di banda leggermente più piccolo che consente l'assorbimento di viola, blu e verde produce il colore arancione; una banda ancora più piccola come nella 2.0 eV del pigmento vermiglio (solfuro mercurico, cinabro minerale) produce tutte le energie ma il rosso viene assorbito, il che porta a un colore rosso. Tutta la luce viene assorbita quando l'energia del gap di banda è inferiore al limite di 1,77-eV (700 nm) dello spettro visibile; i semiconduttori a banda stretta, come la galena al solfuro di piombo, assorbono quindi tutta la luce e sono neri. Questa sequenza di incolore, giallo, arancione, rosso e nero è la gamma precisa di colori disponibili nei semiconduttori puri.
Semiconduttori drogati
Se un atomo di impurità, spesso chiamato drogante, è presente in un semiconduttore (che viene quindi designato come drogato) e ha un numero diverso di elettroni di valenza rispetto all'atomo che sostituisce, all'interno del gap di banda si possono formare livelli di energia extra. Se l'impurità ha più elettroni, come un'impurità di azoto (cinque elettroni di valenza) in un cristallo di diamante (costituito da carboni, ciascuno con quattro elettroni di valenza), si forma un livello di donatore. Gli elettroni di questo livello possono essere eccitati nella banda di conduzione per assorbimento dei fotoni; ciò si verifica solo all'estremità blu dello spettro nel diamante drogato con azoto, ottenendo un colore giallo complementare. Se l'impurità ha meno elettroni rispetto all'atomo che sostituisce, come un'impurità di boro (tre elettroni di valenza) nel diamante, si forma un livello di buca. I fotoni possono ora essere assorbiti con l'eccitazione di un elettrone dalla banda di valenza nel livello del foro. Nel diamante drogato con boro questo si verifica solo all'estremità gialla dello spettro, con un colore blu intenso come nel famoso diamante Hope.
Alcuni materiali contenenti sia donatori che accettori possono assorbire energia ultravioletta o elettrica per produrre luce visibile. Ad esempio, le polveri di fosforo, come il solfuro di zinco contenente rame e altre impurità, vengono utilizzate come rivestimento nelle lampade fluorescenti per convertire l'energia ultravioletta abbondante prodotta dall'arco di mercurio in luce fluorescente. I fosfori sono anche usati per rivestire l'interno di uno schermo televisivo, dove sono attivati da un flusso di elettroni (raggi catodici) nella catodoluminescenza e nelle vernici luminose, dove sono attivati dalla luce bianca o dalla radiazione ultravioletta, che li provoca a mostra un lento decadimento luminoso noto come fosforescenza. L'elettroluminescenza deriva dall'eccitazione elettrica, come quando una polvere di fosforo viene depositata su una piastra metallica e coperta con un elettrodo conduttore trasparente per produrre pannelli di illuminazione.
L'elettroluminescenza a iniezione si verifica quando un cristallo contiene una giunzione tra regioni di semiconduttori drogate in modo diverso. Una corrente elettrica produrrà transizioni tra elettroni e lacune nella regione di giunzione, rilasciando energia che può apparire come luce quasi monocromatica, come nei diodi a emissione di luce (LED) ampiamente utilizzati sui dispositivi di visualizzazione nelle apparecchiature elettroniche. Con una geometria adatta, la luce emessa può anche essere monocromatica e coerente come nei laser a semiconduttore.
