ক্রিস্টালে শক্তি ব্যান্ড

নিল বোহরের পরমাণু গঠন তত্ত্ব অনুযায়ী, সকল পরমাণু তাদের কেন্দ্রীয় নিউক্লিয়াসের চারপাশে বিচ্ছিন্ন শক্তি স্তর পরিলক্ষিত হয় (এই বিষয়ে আরও জানতে পারবেন "পরমাণু শক্তি স্তর" নামক নিবন্ধটিতে)। এখন ধরুন, দুই বা ততোধিক এমন পরমাণু একে অপরের কাছাকাছি রাখা হলো। এই ক্ষেত্রে, তাদের বিচ্ছিন্ন শক্তি স্তরের গঠন শক্তি ব্যান্ড গঠনে পরিণত হয়। অর্থাৎ, বিচ্ছিন্ন শক্তি স্তরের পরিবর্তে বিচ্ছিন্ন শক্তি ব্যান্ড পাওয়া যায়। এই ক্রিস্টালে শক্তি ব্যান্ড গঠনের কারণ হল পরমাণুগুলির মধ্যে পরস্পরের প্রভাব, যা তাদের মধ্যে কাজ করা ইলেকট্রোম্যাগনেটিক বলের ফলাফল।
চিত্র ১ এ এমন একটি শক্তি ব্যান্ডের সাধারণ বিন্যাস দেখানো হয়েছে। এখানে শক্তি ব্যান্ড ১ একটি বিচ্ছিন্ন পরমাণুর শক্তি স্তর E1 এর সাথে তুলনীয় হতে পারে এবং শক্তি ব্যান্ড ২ এর সাথে স্তর E2 এবং এভাবে চলতে থাকবে।

এটি সমতুল্য বলা হচ্ছে যে, পরস্পর ক্রিয়াশীল পরমাণুগুলির নিউক্লিয়াসের কাছাকাছি থাকা ইলেকট্রনগুলি শক্তি ব্যান্ড ১ গঠন করে এবং তাদের বাইরের কক্ষপথে থাকা ইলেকট্রনগুলি উচ্চতর শক্তি ব্যান্ড গঠন করে।

আসলে, এই প্রতিটি ব্যান্ড অনেকগুলি খুব ঘন স্থানান্তরিত শক্তি স্তর নিয়ে গঠিত।

চিত্র থেকে স্পষ্ট হয়েছে যে, একটি নির্দিষ্ট শক্তি ব্যান্ডে যে সংখ্যক শক্তি স্তর থাকে তা বৃদ্ধি পায় যখন বিবেচ্য শক্তি ব্যান্ডের সংখ্যা বৃদ্ধি পায়, অর্থাৎ, তৃতীয় শক্তি ব্যান্ড দ্বিতীয় শক্তি ব্যান্ডের চেয়ে বড়, যা প্রথম শক্তি ব্যান্ডের তুলনায় বড় দেখায়। পরবর্তীতে, এই প্রতিটি ব্যান্ডের মধ্যে থাকা স্থানকে নিষিদ্ধ ব্যান্ড বা ব্যান্ড গ্যাপ (চিত্র ১) বলা হয়। আরও, ক্রিস্টালে উপস্থিত সমস্ত ইলেকট্রন একটি শক্তি ব্যান্ডে উপস্থিত হতে বাধ্য হয়। এটি অর্থ করে যে, ইলেকট্রনগুলি শক্তি ব্যান্ড গ্যাপ অঞ্চলে পাওয়া যাবে না।

শক্তি ব্যান্ডের প্রকারভেদ

ক্রিস্টালে শক্তি ব্যান্ড বিভিন্ন প্রকারের হতে পারে। কিছু শক্তি ব্যান্ড সম্পূর্ণ খালি থাকে, তাই তাদের খালি শক্তি ব্যান্ড বলা হয়, আবার কিছু শক্তি ব্যান্ড সম্পূর্ণ ভরা থাকে এবং তাদের ভরা শক্তি ব্যান্ড বলা হয়। সাধারণত, ভরা শক্তি ব্যান্ডগুলি পরমাণুর নিউক্লিয়াসের কাছাকাছি থাকা নিম্ন শক্তি স্তরগুলি এবং তাদের কোন মুক্ত ইলেকট্রন নেই, অর্থাৎ তারা পরিবহনের জন্য সমর্থ নয়। আরও একটি শক্তি ব্যান্ডের সেট থাকে, যা খালি এবং ভরা শক্তি ব্যান্ডের সমন্বয় হিসেবে পরিচিত হয় এবং তাদের মিশ্র শক্তি ব্যান্ড বলা হয়।
তবে, ইলেকট্রনিক্সের ক্ষেত্রে পরিবহন মেকানিজমে বিশেষ আগ্রহ থাকে। ফলে, এখানে, দুটি শক্তি ব্যান্ড অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ হয়। এগুলি হল:

ভ্যালেন্স ব্যান্ড

এই শক্তি ব্যান্ডটি ভ্যালেন্স ইলেকট্রন (পরমাণুর বাইরের সবচেয়ে বাইরের কক্ষপথের ইলেকট্রন) নিয়ে গঠিত হতে পারে এবং এটি সম্পূর্ণ বা আংশিকভাবে ভরা থাকতে পারে। ঘরের তাপমাত্রায়, এটি ইলেকট্রন যুক্ত সর্বোচ্চ শক্তি ব্যান্ড।

পরিবহন ব্যান্ড

ঘরের তাপমাত্রায় সাধারণত ইলেকট্রন দ্বারা অধিকৃত না হওয়া সর্বনিম্ন শক্তি ব্যান্ডকে পরিবহন ব্যান্ড বলা হয়। এই শক্তি ব্যান্ডটি পরমাণুর নিউক্লিয়াসের আকর্ষণের মুক্ত ইলেকট্রন নিয়ে গঠিত হয়।
সাধারণত, ভ্যালেন্স ব্যান্ড পরিবহন ব্যান্ডের তুলনায় নিম্ন শক্তির এবং এটি শক্তি ব্যান্ড ডায়াগ্রামে (চিত্র ২) পরিবহন ব্যান্ডের নিচে থাকে। ভ্যালেন্স ব্যান্ডের ইলেকট্রনগুলি পরমাণুর নিউক্লিয়াসের সাথে আলাদা বাঁধা থাকে এবং যখন পদার্থ উত্তেজিত হয় (উদাহরণস্বরূপ, তাপমাত্রার দ্বারা), তখন এরা পরিবহন ব্যান্ডে লাফিয়ে যায়।

শক্তি ব্যান্ডের গুরুত্ব

এটি সুপরিচিত যে, পদার্থগুলির মধ্য দিয়ে পরিবহন কেবল তাদের মধ্যে উপস্থিত মুক্ত ইলেকট্রন দ্বারা সম্পন্ন হয়। এই তথ্যটি শক্তি ব্যান্ড তত্ত্বের মাধ্যমে পুনরায় বলা যায়, "পরিবহন ব্যান্ডে উপস্থিত ইলেকট্রনগুলিই পরিবহন মেকানিজমে অবদান রাখে"। ফলে, একটি পদার্থের শক্তি ব্যান্ড ডায়াগ্রাম দেখে তাকে বিভিন্ন শ্রেণীতে বিভাজন করা যায়।
উদাহরণস্বরূপ, ধরুন, শক্তি ব্যান্ড ডায়াগ্রামটি ভ্যালেন্স এবং পরিবহন ব্যান্ডের মধ্যে একটি উল্লেখযোগ্য সংমিশ্রণ দেখায় (চিত্র ৩a)। তাহলে, এটি বোঝায় যে, পদার্থটিতে অনেক মুক্ত ইলেকট্রন রয়েছে, যার ফলে এটি একটি ভালো পরিবহনকারী বা ধাতু হিসেবে বিবেচিত হতে পারে।

অন্যদিকে, যদি আমাদের একটি শক্তি ব্যান্ড ডায়াগ্রাম থাকে, যেখানে ভ্যালেন্স এবং পরিবহন ব্যান্ডের মধ্যে একটি বড় ফাঁক (চিত্র ৩b) থাকে, তাহলে এটি বোঝায় যে, পদার্থটিকে পরিবহন ব্যান্ড ভরাট করার জন্য বেশি পরিমাণ শক্তি প্রদান করতে হবে। কখনও কখনও, এটি কঠিন বা প্রায় প্রাকটিক্যালি অসম্ভব হতে পারে। এটি পরিবহন ব্যান্ডকে ইলেকট্রন বিহীন রাখবে, ফলে পদার্থটি পরিবহন করতে পারবে না। তাই, এই ধরনের পদার্থগুলিকে পরিবহন বাধাকারী বলা হবে।
এখন, ধরুন, আমাদের একটি পদার্থ রয়েছে, যার ভ্যালেন্স এবং পরিবহন ব্যান্ডের মধ্যে একটি সামান্য বিচ্ছিন্নতা রয়েছে (চিত্র ৩c)। এই ক্ষেত্রে, একটি সামান্য পরিমাণ শক্তি দ্বারা ভ্যালেন্স ব্যান্ডের ইলেকট্রনগুলিকে পরিবহন ব্যান্ডে স্থানান্তর করা যায়। এটি বোঝায় যে, যদিও এই ধরনের পদার্থগুলি সাধারণত পরিবহন বাধাকারী, তবে তাদের বাহ্যিকভাবে উত্তেজিত করলে তাদের পরিবহন কারী হিসেবে রূপান্তর করা যায়। তাই, এই পদার্থগুলিকে অর্ধপরিবাহী বলা হবে।