Енергийни ленти
Метали
Валентните електрони, които в други вещества произвеждат връзка между отделни атоми или малки групи атоми, се споделят еднакво от всички атоми в парче метал. Тези делокализирани електрони по този начин могат да се движат върху цялото парче метал и осигуряват метален блясък и добра електрическа и топлопроводимост на металите и сплавите. Теорията на лентите обяснява, че в такава система отделните енергийни нива се заменят от непрекъсната област, наречена лента, както е в диаграмата за плътност на състоянието на меден метал, показан на фигурата. Тази диаграма показва, че броят на електроните, които могат да бъдат настанени в лентата при всяка дадена енергия, варира; в мед броят намалява, когато лентата се приближава да бъде изпълнена с електрони. Броят на електроните в медта запълва лентата до показаното ниво, оставяйки малко празно пространство при по-високи енергии.
Когато фотон светлина се абсорбира от електрон в горната част на енергийната лента, електронът се повдига до по-високо налично енергийно ниво в лентата. Светлината е толкова интензивно погълната, че може да проникне на дълбочина само няколкостотин атома, обикновено по-малка от една дължина на вълната. Тъй като металът е проводник на електричество, тази погълната светлина, която в крайна сметка е електромагнитна вълна, индуцира променливи електрически токове върху металната повърхност. Тези токове незабавно извличат фотона от метала, като по този начин осигуряват силното отражение на полирана метална повърхност.
Ефективността на този процес зависи от определени правила за подбор. Ако ефективността на абсорбцията и повторното изпускане е приблизително равна при всички оптични енергии, тогава различните цветове в бяла светлина ще се отразяват еднакво добре, което води до "сребрист" цвят на полирано сребро и желязо. В мед ефективността на отражението намалява с увеличаване на енергията; намалената отразяваща способност в синия край на спектъра води до червеникав цвят. Подобни съображения обясняват жълтия цвят на златото и меда.
Чисти полупроводници
В редица вещества в диаграмата за плътност на състоянията (виж фигурата) се появява празнина в лентата. Това може да се случи например, когато има средно точно четири валентни електрона на атом в чисто вещество, което води до напълно пълна долна ивица, наречена валентна лента, и точно празна горна лента, проводяща лента. Тъй като в пролуката между двете ленти няма нива на електронна енергия, най-ниската енергийна светлина, която може да бъде погълната, съответства на стрелката А на фигурата; това представлява възбуждането на електрон от върха на валентната лента до дъното на лентата на проводимост и съответства на енергията на пролуката в лентата, обозначена E g. Светлината с всяка по-висока енергия също може да бъде погълната, както е указано със стрелките В и С.
Ако веществото има голяма празнина на лентата, като например 5.4 eV диамант, тогава светлината във видимия спектър не може да бъде абсорбирана и веществото изглежда безцветно, когато е чисто. Такива полупроводници с големи пролуки са отлични изолатори и по-често се третират като йонни или ковалентно свързани материали.
Пигментът кадмиево жълт (кадмиев сулфид, известен още като минерал греенокит) има по-малка лента на лентата от 2,6 eV, което позволява абсорбция на виолетово и малко синьо, но нито един от другите цветове. Това води до жълтия му цвят. Малко по-малка празнина на лентата, която позволява абсорбиране на виолетово, синьо и зелено, произвежда оранжевия цвят; още по-малка пропаст в лентата, както при 2.0 eV на пигментния вермилион (живачен сулфид, минерален цинабар) води до всички енергии, но червеното се абсорбира, което води до червен цвят. Цялата светлина се абсорбира, когато енергията на честотната лента е по-малка от границата от 1,77-eV (700 nm) на видимия спектър; полупроводници с тясна ивица, като галена на оловен сулфид, следователно поглъщат цялата светлина и са черни. Тази последователност от безцветни, жълти, оранжеви, червени и черни е точната гама от цветове, налична в чисти полупроводници.
Легирани полупроводници
Ако примесен атом, често наричан допант, присъства в полупроводник (който след това е определен като легиран) и има различен брой валентни електрони от атома, който замества, в празнината на лентата могат да се образуват допълнителни енергийни нива. Ако примесът има повече електрони, като например азотен примес (пет валентни електрона) в диамантен кристал (състоящ се от въглерод, всеки от които има четири валентни електрона), се образува донорно ниво. Електрони от това ниво могат да бъдат възбудени в лентата на проводимост чрез абсорбция на фотони; това се случва само в синия край на спектъра в диамант, легиран с азот, което води до допълващ жълт цвят. Ако примесът има по-малко електрони от атома, който замества, като примес на бор (три валентни електрона) в диамант, се образува дупково ниво. Фотоните вече могат да бъдат абсорбирани с възбуждането на електрон от валентната лента в нивото на дупката. При диамант с лек бор това се среща само в жълтия край на спектъра, което води до наситено син цвят, както в известния диамант на Хоуп.
Някои материали, съдържащи както донори, така и акцептори, могат да абсорбират ултравиолетова или електрическа енергия, за да произвеждат видима светлина. Например, фосфорни прахове, като например цинков сулфид, съдържащи мед и други примеси, се използват като покритие в флуоресцентни лампи за преобразуване на изобилната ултравиолетова енергия, получена от живачната дъга, във флуоресцентна светлина. Фосфорите се използват и за покриване на вътрешността на телевизионен екран, където те се активират от поток от електрони (катодни лъчи) при катодолуминесценция и в светещи бои, където се активират от бяла светлина или от ултравиолетово лъчение, което ги причинява показват бавен светещ разпад, известен като фосфоресценция. Електролуминесценцията се получава в резултат на електрическо възбуждане, както когато фосфорният прах се отлага върху метална плоча и се покрива с прозрачен проводящ електрод за производство на осветителни панели.
Инжекционната електролуминесценция възниква, когато кристал съдържа връзка между различно легирани полупроводникови участъци. Електрическият ток ще произведе преходи между електрони и дупки в зоната на кръстовището, освобождавайки енергия, която може да изглежда като почти монохроматична светлина, както в светодиодите (светодиодите), широко използвани на дисплейните устройства в електронното оборудване. С подходяща геометрия излъчената светлина също може да бъде монохроматична и кохерентна, както при полупроводниковите лазери.
