Energiebanden
Metalen
De valentie-elektronen, die in andere stoffen binding tussen individuele atomen of kleine groepen atomen tot stand brengen, worden gelijkelijk gedeeld door alle atomen in een stuk metaal. Deze gedelokaliseerde elektronen kunnen dus over het hele stuk metaal bewegen en zorgen voor de metaalglans en goede elektrische en thermische geleidbaarheid van metalen en legeringen. Bandtheorie legt uit dat in een dergelijk systeem individuele energieniveaus worden vervangen door een continu gebied dat een band wordt genoemd, zoals in het diagram met toestandsdichtheid voor kopermetaal in de figuur. Dit diagram laat zien dat het aantal elektronen dat bij een bepaalde energie in de band kan worden ondergebracht, varieert; in koper neemt het aantal af naarmate de band dichterbij komt en gevuld wordt met elektronen. Het aantal elektronen in het koper vult de band tot het aangegeven niveau, waardoor er bij hogere energieën wat lege ruimte overblijft.
Wanneer een foton van licht wordt geabsorbeerd door een elektron nabij de bovenkant van de energieband, wordt het elektron verhoogd naar een hoger beschikbaar energieniveau binnen de band. Het licht wordt zo intens geabsorbeerd dat het tot een diepte van slechts een paar honderd atomen kan doordringen, meestal minder dan een enkele golflengte. Omdat het metaal een geleider van elektriciteit is, wekt dit geabsorbeerde licht, dat tenslotte een elektromagnetische golf is, wisselende elektrische stromen op het metalen oppervlak op. Deze stromen zenden het foton onmiddellijk weer uit het metaal uit en zorgen zo voor de sterke reflectie van een gepolijst metaaloppervlak.
De efficiëntie van dit proces hangt af van bepaalde selectieregels. Als de efficiëntie van absorptie en heremissie bij alle optische energieën ongeveer gelijk is, zullen de verschillende kleuren in wit licht even goed worden gereflecteerd, wat leidt tot de "zilverachtige" kleur van gepolijst zilver en ijzeren oppervlakken. Bij koper neemt de efficiëntie van reflectie af met toenemende energie; de verminderde reflectiviteit aan het blauwe uiteinde van het spectrum resulteert in een roodachtige kleur. Soortgelijke overwegingen verklaren de gele kleur van goud en messing.
Pure halfgeleiders
Bij een aantal stoffen verschijnt er een band gap in het diagram met toestandsdichtheid (zie figuur). Dit kan bijvoorbeeld gebeuren wanneer er in een zuivere stof gemiddeld precies vier valentie-elektronen per atoom zitten, wat resulteert in een volledig volle onderband, de valentieband genaamd, en een exact lege bovenband, de geleidingsband. Omdat er geen elektronenergieniveaus zijn in de opening tussen de twee banden, komt het licht met de laagste energie dat kan worden geabsorbeerd overeen met pijl A in de figuur; dit vertegenwoordigt de excitatie van een elektron vanaf de bovenkant van de valentieband tot aan de onderkant van de geleidingsband en komt overeen met de energie van de bandkloof aangeduid als Eg. Licht van een hogere energie kan ook worden geabsorbeerd, zoals aangegeven door de pijlen B en C.
Als de stof een grote bandafstand heeft, zoals de 5,4 eV van diamant, kan er geen licht in het zichtbare spectrum worden geabsorbeerd en lijkt de stof kleurloos als hij puur is. Dergelijke halfgeleiders met grote bandafstand zijn uitstekende isolatoren en worden gewoonlijk behandeld als ionische of covalent gebonden materialen.
Het pigment cadmiumgeel (cadmiumsulfide, ook bekend als het minerale greenockiet) heeft een kleinere bandafstand van 2,6 eV, wat de opname van violet en wat blauw maar geen van de andere kleuren mogelijk maakt. Dit leidt tot de gele kleur. Een iets kleinere bandafstand die de opname van violet, blauw en groen mogelijk maakt, levert de kleur oranje op; een nog kleinere bandafstand zoals bij de 2.0 eV van het pigment vermiljoen (kwikzwavel, het mineraal cinnaber) resulteert in alle energieën maar het rood wordt geabsorbeerd, wat leidt tot een rode kleur. Al het licht wordt geabsorbeerd wanneer de energie van de band gap minder is dan de 1,77-eV (700 nm) limiet van het zichtbare spectrum; halfgeleiders met smalle bandafstand, zoals loodsulfide-galena, absorberen daarom al het licht en zijn zwart. Deze reeks van kleurloos, geel, oranje, rood en zwart is het precieze kleurenbereik dat beschikbaar is in pure halfgeleiders.
Gedoteerde halfgeleiders
Als een onzuiverheidsatoom, vaak een doteringsmiddel genoemd, aanwezig is in een halfgeleider (die vervolgens wordt gedoopt als gedoteerd) en een ander aantal valentie-elektronen heeft dan het atoom dat het vervangt, kunnen er binnen de band gap extra energieniveaus worden gevormd. Als de onzuiverheid meer elektronen heeft, zoals een stikstofonzuiverheid (vijf valentie-elektronen) in een diamantkristal (bestaande uit koolstofatomen, elk met vier valentie-elektronen), wordt een donorniveau gevormd. Elektronen van dit niveau kunnen door de absorptie van fotonen in de geleidingsband worden opgewekt; dit gebeurt alleen aan het blauwe uiteinde van het spectrum in met stikstof gedoteerde diamant, wat resulteert in een complementaire gele kleur. Als de onzuiverheid minder elektronen heeft dan het atoom dat het vervangt, zoals een booronzuiverheid (drie valentie-elektronen) in diamant, wordt een gatniveau gevormd. Fotonen kunnen nu worden geabsorbeerd door de excitatie van een elektron vanuit de valentieband in het gatniveau. Bij met borium gedoteerde diamant komt dit alleen voor aan het gele uiteinde van het spectrum, wat resulteert in een diepblauwe kleur zoals bij de beroemde Hope-diamant.
Sommige materialen die zowel donoren als acceptoren bevatten, kunnen ultraviolette of elektrische energie absorberen om zichtbaar licht te produceren. Zo worden fosforpoeders, zoals zinksulfide dat koper en andere onzuiverheden bevat, gebruikt als coating in fluorescentielampen om de overvloedige ultraviolette energie die door de kwikboog wordt geproduceerd om te zetten in fluorescerend licht. Fosforen worden ook gebruikt om de binnenkant van een televisiescherm te bekleden, waar ze worden geactiveerd door een stroom van elektronen (kathodestralen) in kathodoluminescentie, en in lichtgevende verven, waar ze worden geactiveerd door wit licht of door ultraviolette straling, waardoor ze vertoon een langzaam lichtgevend verval dat bekend staat als fosforescentie. Elektroluminescentie is het gevolg van elektrische excitatie, zoals wanneer een fosforpoeder wordt afgezet op een metalen plaat en bedekt met een transparante geleidende elektrode om verlichtingspanelen te produceren.
Injectie-elektroluminescentie treedt op wanneer een kristal een verbinding bevat tussen verschillend gedoteerde halfgeleidende gebieden. Een elektrische stroom zal overgangen veroorzaken tussen elektronen en gaten in het verbindingsgebied, waardoor energie vrijkomt die kan verschijnen als bijna-monochromatisch licht, zoals in de lichtemitterende diodes (LED's) die veel worden gebruikt op weergaveapparaten in elektronische apparatuur. Met een geschikte geometrie kan het uitgezonden licht ook monochromatisch en coherent zijn zoals bij halfgeleiderlasers.
