Energi-bånd i krystaller

Ifølge Niels Bohrs teori om atomstruktur findes alle atomer med diskrete energiniveauer omkring deres centrale kerne (mere herom kan findes i artiklen “Atomenerginiveauer”). Lad os nu overveje tilfældet, hvor to eller flere sådanne atomer er placeret tæt på hinanden. I dette tilfælde bliver strukturen af deres diskrete energiniveauer omdannet til en energibåndstruktur. Det vil sige, i stedet for diskrete energiniveauer, finder man diskrete energibånd. Årsagen til dannelsen af disse energibånd i krystaller er den gensidige interaktion mellem atomerne, som er resultatet af elektromagnetiske kræfter, der virker mellem dem.
Billede 1 viser et typisk arrangement af sådanne energibånd. Her kan energibånd 1 siges at være analogt med energiniveau E1 af et isoleret atom, og energibånd 2 til niveau E2 og så videre.

Dette er det samme som at sige, at elektronerne tættest på kernen af de interagerende atomer udgør energibånd 1, mens de i deres korresponderende ydre baner resulterer i højere energibånd.

I virkeligheden består hvert af disse bånd af flere energiniveauer, der er meget tæt på hinanden.

Fra figuren er det tydeligt, at antallet af energiniveauer, der optræder i et bestemt energibånd, stiger med øget energibånd, det vil sige, at det tredje energibånd er bredere end det andet, som dog er bredere end det første. Derudover kaldes pladsen mellem hvert af disse bånd for forbudt bånd eller båndgap (Billede 1). Yderligere er alle elektronerne, der findes inden for krystallet, tvunget til at være til stede i ét af de energibånd. Dette betyder, at elektronerne ikke kan findes i energibåndgapsregionen.

Typer af Energibånd

Energibånd i et krystal kan være af forskellige typer. Nogle af dem vil være helt tomme, hvilket giver dem navnet tomme energibånd, mens andre vil være helt fyldte og derfor kaldes fyldte energibånd. Normalt vil de fyldte energibånd være de lavere energiniveauer, der ligger tættest på atomets kerne og har ingen fri elektroner, hvilket betyder, at de ikke kan bidrage til ledning. Der findes også endnu en sæt energibånd, der kan være en kombination af tomme og fyldte energibånd, kaldet blandede energibånd.
Alligevel er man i feltet elektronik især interesseret i ledningsmekanismen. Derfor opnår to af de energibånd ekstrem vigtighed. Disse er

Vælgbånd

Dette energibånd består af vælgelokaliserede elektroner (elektroner i det yderste område af et atom) og kan enten være fuldt eller delvist udfyldt. Ved rumtemperatur er dette det højeste energibånd, der indeholder elektroner.

Ledningsbånd

Det laveste energibånd, der normalt ikke er beboet af elektroner ved rumtemperatur, kaldes ledningsbånd. Dette energibånd består af elektroner, der er fri fra den attraktive kraft fra atomets kerne.
Generelt er vælgbånd et bånd med lavere energi i forhold til ledningsbåndet og findes derfor under ledningsbåndet i energibåndsdiagrammet (Billede 2). Elektronerne i vælgbåndet er løst bundet til atomets kerne og springer over til ledningsbåndet, når materialet er ansporet (såsom termisk).

Vigtigheden af Energibånd

Det er kendt, at ledning gennem materialerne kun sker ved de frie elektroner, der findes i dem. Dette faktum kan formuleres i termer af energibåndteorien som "elektronerne, der findes i ledningsbåndet, er de eneste, der bidrager til ledningsmekanismen". Som resultat kan man kategorisere materialerne i forskellige kategorier ved at se på deres energibåndsdiagram.
F.eks., hvis energibåndsdiagrammet viser en betydelig overlap mellem vælgbåndet og ledningsbåndet (Billede 3a), betyder det, at materialet har mange frie elektroner, hvilket gør, at det kan anses for en god leder af elektricitet, altså et metal.

På den anden side, hvis vi har et energibånds diagram, hvor der er et stort gab mellem vælgbåndet og ledningsbåndet (Billede 3b), betyder det, at man skal give materialet en stor mængde energi for at få et udfyldt ledningsbånd. Nogle gange kan dette være svært eller nogle gange endda praktisk umuligt. Dette vil efterlade ledningsbåndet uden elektroner, hvilket vil gøre, at materialet ikke kan lede. Sådanne materialer ville være isolatorer.
Nu, lad os sige, at vi har et materiale, der viser en lille separation mellem vælgbåndet og ledningsbåndet, som vist i Billede 3c. I dette tilfælde kan man få elektronerne i vælgbåndet til at besætte ledningsbåndet ved at give dem en lille mængde energi. Dette betyder, at selvom sådanne materialer normalt er isolatorer, kan de konverteres til at fungere som ledere ved at stimulere dem eksternt. Sådanne materialer vil derfor blive kaldt halvledere.

Erklæring: Respektér det originale, godt artikel fortjener at deles, hvis der sker overskridelse kontakt og slet.