La teoria delle bande è simile alla teoria degli orbitali molecolari, e fornisce un modello per il comportamento elettronico nei solidi. Occorre ricordare che quando due o più atomi si uniscono per diventare una molecola, i loro orbitali atomici si sovrappongono per formare orbitali molecolari di livelli energetici discreti. All'aumentare del numero di atomi nella molecola, aumenta anche il numero di orbitali molecolari.

I solidi hanno tipicamente un numero estremamente elevato di atomi, quindi l'intero solido sarebbe rappresentato con un numero estremamente elevato di orbitali molecolari ravvicinati. Pertanto, i gruppi degli orbitali molecolari saranno così ravvicinati che possono essere pensati come intervalli continui, o bande, di energia che gli elettroni possono occupare. Come gli orbitali molecolari, queste bande sono separate da lacune energetiche.

Se gli spazi sono troppo ampi, gli elettroni non possono attraversarli. In conduttori come il rame, gli elettroni di valenza sono in una banda che ha anche numerosi orbitali vuoti. Gli elettroni di valenza possono spostarsi facilmente fra gli orbitali, consentendo agli elettroni di fluire liberamente attraverso il solido.

Questi elettroni mobili sono responsabili della buona conduttività elettrica del solido. I modelli di semiconduttori e isolanti considerano due bande:la banda di valenza, che è la banda a più alta energia, che contiene elettroni nello stato fondamentale, e la banda di conduzione, che è la banda appena sopra la banda di valenza. La banda di valenza ha pochi orbitali vuoti, limitando la capacità degli elettroni di valenza di muoversi attraverso il solido;non potranno quindi raggiungere gli orbitali vuoti della banda di conduzione.

Questo è il comportamento osservato negli isolanti come il vetro:hanno un grande gap energetico, o band gap, fra le bande di valenza e di conduzione. Gli isolanti, dunque, mostrano una scarsa conduttività elettrica. Se il gap della banda è piccolo, gli elettroni di valenza potranno spostarsi fino alla banda di conduzione e muoversi liberamente fra gli orbitali vuoti.

Gli orbitali lasciati vuoti dagli elettroni, renderanno, allo stesso tempo, più facile per gli elettroni stessi il movimento all'interno della banda di valenza. Questo è il comportamento che ritroviamo nei semiconduttori come il silicio, meno conduttivi dei metalli ma più conduttivi degli isolanti.

Quando due o più atomi si uniscono per formare una molecola, i loro orbitali atomici si combinano e ne derivano orbitali molecolari di energie distinte. In un solido, ci sono un gran numero di atomi, e quindi un gran numero di orbitali atomici che possono essere combinati in orbitali molecolari. Questi gruppi di orbitali molecolari sono così strettamente posizionati insieme per formare regioni continue di energie, note come bande.

La differenza di energia tra queste bande è nota come gap di banda.

Conduttore, semiconduttore e isolanti

Per condurre l'elettricità, gli elettroni di valenza devono attraversare orbitali di diverse energie per muoversi attraverso il solido. Questo è determinato dal gap di banda. Gli elettroni di valenza nei conduttori occupano una banda che ha molti orbitali vuoti. Pertanto, è necessaria solo una piccola quantità di energia per spostare gli elettroni su questi orbitali vuoti. Questa piccola differenza di energia è "facile" da superare, quindi sono buoni conduttori di elettricità. Semiconduttori e isolanti osservano due tipi di bande: una banda di valenza, con pochi o nessun orbitale vuoto, e una banda di conduzione, con orbitali vuoti. La differenza di energia o lo spazio di banda tra la banda di valenza e la banda di conduzione decide la facilità con cui gli elettroni possono muoversi. Negli isolanti, il gap di banda è così "grande" che pochissimi elettroni possono raggiungere gli orbitali vuoti della banda di conduzione; di conseguenza, gli isolanti sono poveri conduttori di elettricità. I semiconduttori, d'altra parte, hanno spazi di banda relativamente piccoli. Di conseguenza, possono condurre elettricità quando vengono fornite quantità "moderate" di energia per spostare gli elettroni fuori degli orbitali riempiti della banda di valenza e negli orbitali vuoti della banda di conduzione. Pertanto, i semiconduttori sono migliori degli isolanti ma non efficienti come i conduttori in termini di conducibilità elettrica.

Questo testo è stato adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 8.4 Molecular Orbital Theory.

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