Energia sávok
Metals
A vegyérték elektronok, amelyek más anyagokban kötődést hoznak létre az egyes atomok vagy az atomok kis csoportjai között, minden fémdarabban egyenlően oszlanak meg. Ezek a delokalizált elektronok így képesek áthaladni az egész fémdarabon, és biztosítják a fém fényét, valamint a fémek és ötvözetek jó elektromos és hővezető képességét. A sáv-elmélet magyarázza, hogy egy ilyen rendszerben az egyes energiaszinteket egy sávnak nevezett folyamatos régió váltja fel, ahogy az az ábrán látható rézfém állapot-diagramján látható. Ez a diagram azt mutatja, hogy az elektronok száma, amelyek az adott energiánál befogadhatók a sávba, változnak; a rézben a szám csökken, amikor a sáv megközelíti az elektronokkal való feltöltést. A rézben levő elektronok száma kitölti a sávot a bemutatott szintre, így magasabb energiáknál némi üres helyet hagyva.
Amikor a fény fotont elnyeli egy elektron az energiasáv teteje közelében, az elektronot a sávban elérhető magasabb energiaszintre emelik. A fény annyira intenzíven elnyelődik, hogy csak néhány száz atom mélyére hatolhat be, jellemzően egyetlen hullámhosszon kevesebb. Mivel a fém villamosenergia-vezető, ez az elnyelt fény, amely végül egy elektromágneses hullám, váltakozó elektromos áramot indukál a fém felületén. Ezek az áramok azonnal visszajuttatják a fotont a fémből, ezáltal egy fényes fémfelület erős visszaverődését biztosítják.
Ennek a folyamatnak a hatékonysága bizonyos kiválasztási szabályoktól függ. Ha az abszorpció és a remisszió hatékonysága minden optikai energiánál megközelítőleg egyenlő, akkor a fehér fényben lévő különböző színek ugyanolyan jól tükröződnek, ami a csiszolt ezüst- és vasfelületek „ezüstös” színéhez vezet. A rézben a visszaverődés hatékonysága csökken az energia növekedésével; a csökkent visszaverődés a spektrum kék végén vöröses színű. Hasonló megfontolások magyarázzák az arany és a sárgaréz sárga színét.
Tiszta félvezetők
Számos anyagban sávrés jelenik meg az állapot denzitás diagramján (lásd az ábrát). Ez akkor fordulhat elő, ha egy tiszta anyagban atomonként átlagosan pontosan négy vegyérték-elektron van, ami egy teljesen alsó sávot eredményez, amelyet valencia sávnak neveznek, és pontosan üres felső sávot, a vezetőképesség-sávot eredményez. Mivel a két sáv közötti résben nincsenek elektronenergia-szintek, a legalacsonyabb energiaszükségletű fény, amely elnyelődik, az ábra A nyílának felel meg; ez képviseli a gerjesztés egy elektront a tetején a vegyérték sáv akár az alján a vezetési sáv, és megfelel a sáv-rés energiát kijelölt E g. Bármelyik magasabb energiafény elnyelődik, amint azt a B és a C nyilak jelzik.
Ha az anyagnak nagy a sávrése, például az 5,4 eV gyémánt, akkor a látható spektrumban nem szabad abszorbeálni a fényt, és az anyag színtelennek tűnik, ha tiszta. Az ilyen nagy sávszélességű félvezetők kiváló szigetelők, és általában ionos vagy kovalensen kötött anyagokként kezelik őket.
A kadmium-sárga pigment (kadmium-szulfid, más néven ásványi greenockite néven ismert) sávrése kisebb, 2,6 eV, ami lehetővé teszi az ibolya és néhány kék abszorpcióját, de a többi szín egyikének sem. Ez a sárga színhez vezet. A kissé kisebb sávrés, amely lehetővé teszi a lila, kék és zöld felszívódását, narancssárgát eredményez; egy még kisebb sávrés, mint a pigmentvermilion (higany-szulfid, az ásványi fahéj) 2,0 eV-jében, minden energiát eredményez, de a vörös felszívódik, ami vörös színhez vezet. Az összes fény elnyelődik, ha a sávrés energia kevesebb, mint a látható spektrum 1,77-eV (700 nm) határa; a keskeny sávszélességű félvezetők, például az ólom-szulfid galena tehát minden fényt elnyelnek és feketék. Ez a színtelen, sárga, narancssárga, piros és fekete sorozat a tiszta félvezetőkben elérhető pontos színtartomány.
Dopélt félvezetők
Ha egy szennyező atom, amelyet gyakran adalékanyagnak neveznek, van jelen egy félvezetőben (amelyet ezután adalékolással jelölnek), és eltérő számú vegyérték-elektronmal rendelkezik, mint a helyettesített atom, akkor a sávrésen belül további energiaszintek képződhetnek. Ha a szennyeződésben több elektron van, például egy nitrogénszennyezettség (öt vegyértékértékű elektron) egy gyémántkristályban (széntartalommal, mindegyikben négy vegyérték-elektron van), akkor donor szint alakul ki. Az ebből a szintből származó elektronok a fotonok abszorpciójával gerjeszthetik a vezető sávot; ez csak a spektrum kék végén fordul elő a nitrogén-adalékolt gyémántban, komplementer sárga színt eredményezve. Ha a szennyeződésben kevesebb elektron található, mint a helyettesített atomban, például a bórtartalom (három vegyérték elektron) gyémántban, lyuk szint alakul ki. A fotonok abszorbeálódhatnak egy elektron gerjesztésével a valencia sávból a lyuk szintjére. A bór-adalékolt gyémánt esetében csak a spektrum sárga végén fordul elő, mélykék színű lesz, mint a híres Hope-gyémánté.
Egyes anyagok, amelyek mind donorokat, mind elfogadókat tartalmaznak, elnyelhetik az ultraibolya vagy elektromos energiát látható fény előállításához. Például a foszforporokat, például a réz és más szennyeződéseket tartalmazó cink-szulfidot bevonatként használják a fénycsövekben, hogy a higanyív által előállított bőséges ultraibolya energiát fluoreszcens fényre alakítsák át. A foszforokat a televíziós képernyő belsejének bevonására is használják, ahol az elektronok (katód sugarak) által aktivált katódolumineszcenciában, és fényes festékekben, ahol fehér fény vagy ultraibolya sugárzás aktiválja őket, ami lassú fénycsillapítást mutat, amelyet foszforeszkáló néven ismertek. Az elektrolumineszcencia az elektromos gerjesztés eredményeként alakul ki, amikor a foszforport egy fémlemezre helyezik és átlátszó vezető elektródával fedik le, hogy megvilágító paneleket kapjanak.
Az injektáló elektrolumineszcencia akkor fordul elő, ha a kristály eltérően adalékolt félvezető régiók közötti kapcsolódást tartalmaz. Az elektromos áram átmenetet hoz létre az elektronok és a csatlakozási szakaszban lévő lyukak között, felszabadítva az energiát, amely közel monokromatikus fényként jelenhet meg, mint például az elektronikus berendezések kijelzőjén széles körben alkalmazott fénykibocsátó diódákban (LED-ek). Megfelelő geometria mellett a kibocsátott fény monokromatikus és koherens is lehet, mint a félvezető lézereknél.
