Energetické pásmo v krystalech

Podle teorie atomové struktury Niela Bohra mají všechny atomy diskrétní energie okolo svého centrálního jádra (více o tom najdete v článku „Energetické úrovně atomů“). Nyní uvažme případ, kdy jsou dva nebo více takových atomů umístěny blízko sebe. V tomto případě se struktura jejich diskrétních energetických úrovní transformuje na strukturu energetických pásem. To znamená, že místo diskrétních energetických úrovní lze najít diskrétní energetická pásma. Příčinou vzniku těchto energetických pásma v krystalech je vzájemná interakce mezi atomy, která je výsledkem elektromagnetických sil působících mezi nimi.
Obrázek 1 ukazuje typické uspořádání takových energetických pás. Zde může energetické pásmo 1 být považováno za analogické s energetickou úrovní E1 izolovaného atomu a energetické pásmo 2 pro úroveň E2 a tak dále.

To je ekvivalentní tomu, že elektrony blízké jádru interagujících atomů tvoří energetické pásmo 1, zatímco ty v odpovídajících vnějších obvodových dráhách vedou k vyšším energetickým pásům.

Ve skutečnosti každé z těchto pás obsahuje mnoho energetických úrovní, které jsou velmi těsně rozprostřeny.

Z obrázku je zřejmé, že počet energetických úrovní, které se objevují v určitém energetickém pásmu, roste s rostoucím energetickým pásmem, tedy třetí energetické pásmo je širší než druhé, které je však širší než první. Dále se prostor mezi každým z těchto pás označuje jako zakázané pásmo nebo mezera mezi pásmi (Obrázek 1). Dále jsou všechny elektrony přítomné v krystalu nuceny být přítomny v jednom z energetických pás. To znamená, že elektrony nelze najít v oblasti mezery mezi pásmi.

Druhy energetických pás

Energetická pásma v krystalu mohou být různých typů. Některá z nich budou úplně prázdná, proto se nazývají prázdná energetická pásma, zatímco jiná budou úplně zaplněná a jsou proto nazývána zaplněná energetická pásma. Obvykle budou zaplněná energetická pásma nižší energetické úrovně, které leží blízko jádra atomu a nemají volné elektrony, což znamená, že nemohou sloužit pro vedení. Existuje také další sada energetických pás, která může být kombinací prázdných a zaplněných energetických pás a nazývají se smíšená energetická pásma.
Nicméně v oblasti elektroniky je zejména zajímavý mechanismus vedení. Jako výsledek zde dvě energetická pásma získají extrémní význam. Tato jsou

Pásmo valenčních elektronů

Toto energetické pásmo obsahuje valenční elektrony (elektrony v nejvnější obvodové dráze atomu) a může být buď úplně, nebo částečně zaplněno. Při pokojové teplotě je toto nejvyšší energetické pásmo, které obsahuje elektrony.

Pásmo vedení

Nejnižší energetické pásmo, které je obvykle nepopulované elektrony při pokojové teplotě, se nazývá pásmo vedení. Toto energetické pásmo obsahuje elektrony, které jsou osvobozeny od přitažlivé síly jádra atomu.
Obecně lze říci, že pásmo valenčních elektronů je pásmo s nižší energií ve srovnání s pásmem vedení a nachází se tedy pod pásmem vedení v diagramu energetických pás (Obrázek 2). Elektrony v pásmu valenčních elektronů jsou slabě vázané na jádro atomu a přeskakují do pásmu vedení, když je materiál vybudit (např. termicky).

Význam energetických pás

Je známo, že vedení materiálů je zajištěno pouze volnými elektrony, které v nich jsou přítomny. Tento fakt lze znovu formulovat v termínech teorie energetických pás jako „elektrony přítomné v pásmu vedení jsou jedinými, které přispívají k mechanismu vedení“. V důsledku toho lze materiály klasifikovat do různých kategorií podle jejich diagramu energetických pás.
Například, řekněme, že diagram energetických pás ukazuje značnou překrývající se oblast mezi pásmem valenčních elektronů a pásmem vedení (Obrázek 3a), pak to znamená, že materiál má hojně volných elektronů, což znamená, že lze považovat za dobrý vodič elektricity, tedy kov.

Na druhou stranu, pokud máme diagram energetických pás, ve kterém je mezi pásmem valenčních elektronů a pásmem vedení velká mezera (Obrázek 3b), to znamená, že by bylo třeba materiál poskytnout velké množství energie, aby se dosáhlo zaplněného pásmu vedení. Někdy to může být obtížné nebo dokonce prakticky nemožné. To by zanechalo pásmo vedení bez elektronů, což by způsobilo, že materiál nevede. Tyto materiály by byly izolačními materiály.
Ted, řekněme, že máme materiál, který ukazuje mírnou separaci mezi pásmem valenčních elektronů a pásmem vedení, jak je znázorněno na Obrázku 3c. V tomto případě lze elektrony v pásmu valenčních elektronů přesunout do pásmu vedení poskytnutím malého množství energie. To znamená, že i když jsou takové materiály obvykle izolačními materiály, lze je přeměnit na vodiče jejich externím vybuzením. Proto se tyto materiály nazývají polovodiči.

Prohlášení: Respektujte původ, dobaře napsané články jsou hodné sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, prosím, kontaktujte pro odebrání.