Energiebänder in Kristallen

Laut der Atomstrukturtheorie von Neil Bohr haben alle Atome diskrete Energieebenen um ihren zentralen Kern (weitere Informationen dazu finden Sie im Artikel „Atomare Energieebenen“). Betrachten wir nun den Fall, in dem zwei oder mehr solcher Atome in der Nähe zueinander platziert sind. In diesem Fall wird die Struktur ihrer diskreten Energieebenen in eine Energiebandstruktur transformiert. Das heißt, anstelle diskreter Energieebenen finden wir diskrete Energiebänder. Die Ursache für die Bildung solcher Energiebänder in Kristallen ist die gegenseitige Wechselwirkung zwischen den Atomen, die das Ergebnis elektromagnetischer Kräfte zwischen ihnen ist.
Abbildung 1 zeigt eine typische Anordnung solcher Energiebänder. Hier kann das Energieband 1 als analog zur Energieebene E1 eines isolierten Atoms und das Energieband 2 zur Ebene E2 usw. betrachtet werden.

Das bedeutet, dass die Elektronen, die näher am Kern der wechselwirkenden Atome liegen, das Energieband 1 bilden, während diejenigen in den entsprechenden äußeren Bahnen höhere Energiebänder ergeben.

In Wirklichkeit besteht jedes dieser Bänder aus mehreren Energieebenen, die sehr eng beieinander liegen.

Aus der Abbildung geht hervor, dass die Anzahl der Energieebenen, die in einem bestimmten Energieband auftreten, mit dem betrachteten Energieband zunimmt, d.h. das dritte Energieband ist breiter als das zweite, das jedoch breiter erscheint als das erste. Der Raum zwischen diesen Bändern wird als verbotenes Band oder Bandlücke (Abbildung 1) bezeichnet. Weiterhin müssen sich alle Elektronen innerhalb des Kristalls in einem der Energiebänder befinden. Dies bedeutet, dass die Elektronen nicht in der Energiebandlücke gefunden werden können.

Arten von Energiebändern

Energiebänder in einem Kristall können verschiedene Arten haben. Einige davon sind völlig leer, weshalb sie als leere Energiebänder bezeichnet werden, während andere vollständig gefüllt sind und daher als gefüllte Energiebänder benannt werden. Normalerweise sind die gefüllten Energiebänder die niedrigeren Energieebenen, die näher am Atomkern liegen und keine freien Elektronen besitzen, was bedeutet, dass sie keinen Beitrag zur Leitung leisten. Es gibt auch noch eine weitere Gruppe von Energiebändern, die eine Kombination aus leeren und gefüllten Energiebändern sein können, die als gemischte Energiebänder bezeichnet werden.
Trotzdem interessiert man sich im Bereich der Elektronik besonders für den Leitungsmechanismus. Daher gewinnen hier zwei Energiebänder extreme Bedeutung. Diese sind

Valenzband

Dieses Energieband besteht aus Valenzelektronen (Elektronen in der äußersten Bahn eines Atoms) und kann entweder vollständig oder teilweise gefüllt sein. Bei Raumtemperatur ist dies das höchste Energieband, das Elektronen enthält.

Leitband

Das niedrigste Energieband, das normalerweise bei Raumtemperatur nicht von Elektronen besetzt ist, wird als Leitband bezeichnet. Dieses Energieband besteht aus Elektronen, die von der anziehenden Kraft des Atomkerns frei sind.
Allgemein ist das Valenzband ein Band mit niedrigerer Energie im Vergleich zum Leitband und liegt daher in der Energiebanddiagramm (Abbildung 2) unterhalb des Leitbands. Die Elektronen im Valenzband sind lose gebunden an den Atomkern und springen ins Leitband, wenn das Material angeregt wird (z.B. thermisch).

Wichtigkeit der Energiebänder

Es ist bekannt, dass die Leitung durch Materialien nur durch die darin vorhandenen freien Elektronen erfolgt. Dies kann in Bezug auf die Energiebandtheorie so formuliert werden: „Nur die Elektronen im Leitband tragen zur Leitung bei“. Daher kann man Materialien in verschiedene Kategorien einteilen, indem man ihre Energiebanddiagramme betrachtet.
Zum Beispiel, wenn das Energiebanddiagramm einen beträchtlichen Überlapp zwischen dem Valenz- und dem Leitband (Abbildung 3a) zeigt, bedeutet dies, dass das Material reich an freien Elektronen ist, wodurch es als guter Leiter von Elektrizität, also ein Metall, betrachtet werden kann.

Andererseits, wenn wir ein Energieband-Diagramm haben, in dem es eine große Lücke zwischen dem Valenz- und dem Leitband (Abbildung 3b) gibt, bedeutet dies, dass man dem Material eine große Menge an Energie zur Verfügung stellen muss, um ein gefülltes Leitband zu erhalten. Manchmal kann dies schwierig oder sogar praktisch unmöglich sein. Dies würde das Leitband ohne Elektronen lassen, wodurch das Material nicht leiten kann. Daher wären solche Materialien Isolatoren.
Nun, nehmen wir an, wir hätten ein Material, das eine geringe Trennung zwischen dem Valenz- und dem Leitband zeigt, wie in Abbildung 3c. In diesem Fall könnte man die Elektronen im Valenzband durch Bereitstellung einer geringen Menge an Energie ins Leitband bringen. Das bedeutet, dass obwohl solche Materialien normalerweise Isolatoren sind, sie durch externe Anregung in Leiter umgewandelt werden können. Daher werden diese Materialien als Halbleiter bezeichnet.

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