Ενεργειακές Ζώνες σε Κρύσταλλους

Σύμφωνα με τη θεωρία της ατομικής δομής του Νιλς Μπόρ, όλα τα άτομα έχουν διακριτά επίπεδα ενέργειας γύρω από το κεντρικό τους πυρήνα (περισσότερες πληροφορίες γι' αυτό μπορεί να βρεθούν στο άρθρο “Επίπεδα Ενέργειας Ατόμων”). Τώρα, αν θεωρήσουμε την περίπτωση όπου δύο ή περισσότερα τέτοια άτομα βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο, η δομή των διακριτών επιπέδων ενέργειας τους μετατρέπεται σε δομή ζώνης ενέργειας. Δηλαδή, αντί για διακριτά επίπεδα ενέργειας, μπορεί να βρεθούν διακριτές ζώνες ενέργειας. Η αιτία πίσω από τη δημιουργία τέτοιων ζώνων ενέργειας σε κρύσταλλους είναι η μεταξύ των ατόμων αμοιβαία αλληλεπίδραση, η οποία είναι αποτέλεσμα των ενδιάμεσων ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που δρουν μεταξύ τους.
Ο Σχήμα 1 δείχνει μια τυπική διάταξη τέτοιων ζώνων ενέργειας. Εδώ, η ζώνη ενέργειας 1 μπορεί να θεωρηθεί ως αντιστοιχημένη στο επίπεδο ενέργειας E1 ενός απομονωμένου ατόμου και η ζώνη ενέργειας 2 στο επίπεδο E2 και ούτω καθεξής.

Αυτό είναι ισοδύναμο με το να λέμε ότι τα ηλεκτρόνια πιο κοντά στον πυρήνα των αλληλεπιδραστικών ατόμων συνθέτουν τη ζώνη ενέργειας 1, ενώ εκείνα στις αντίστοιχες εξωτερικές τροχιές αποδίδουν υψηλότερες ζώνες ενέργειας.

Στην πραγματικότητα, κάθε μία από αυτές τις ζώνες συνθέτει πολλά επίπεδα ενέργειας που είναι πολύ κοντά μεταξύ τους.

Από το σχήμα, είναι εμφανές ότι το πλήθος των επιπέδων ενέργειας που εμφανίζονται σε μια συγκεκριμένη ζώνη ενέργειας αυξάνει με την αύξηση της ζώνης ενέργειας που θεωρείται, δηλαδή η τρίτη ζώνη ενέργειας είναι ευρύτερη από τη δεύτερη, η οποία όμως είναι ευρύτερη σε σύγκριση με την πρώτη. Επόμενο, ο χώρος μεταξύ κάθε μιας από αυτές τις ζώνες ονομάζεται απαγορευμένη ζώνη ή gap (Σχήμα 1). Επιπλέον, όλα τα ηλεκτρόνια που παρούσα στον κρύσταλλο είναι αναγκασμένα να είναι παρόντα σε οποιαδήποτε ζώνη ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να βρεθούν στην περιοχή της απαγορευμένης ζώνης ενέργειας.

Τύποι Ζώνων Ενέργειας

Οι ζώνες ενέργειας σε έναν κρύσταλλο μπορούν να είναι διάφορων τύπων. Κάποιες από αυτές θα είναι εντελώς άδειες, γι' αυτό ονομάζονται άδειες ζώνες ενέργειας, ενώ άλλες θα είναι εντελώς γεμάτες και ονομάζονται γεμάτες ζώνες ενέργειας. Συνήθως, οι γεμάτες ζώνες ενέργειας θα είναι τα χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας που βρίσκονται κοντά στον πυρήνα του ατόμου και δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, δηλαδή δεν μπορούν να συμβάλουν στην ηλεκτροποσιμότητα. Υπάρχει επίσης ένας άλλος σύνολος ζώνων ενέργειας που μπορεί να είναι συνδυασμός άδειων και γεμάτων ζώνων ενέργειας, ονομαζόμενες μεικτές ζώνες ενέργειας.
Ωστόσο, στο πεδίο της ηλεκτρονικής, έχει ιδιαίτερη σημασία η μελέτη της μηχανικής ηλεκτροποσιμότητας. Ως αποτέλεσμα, εδώ, δύο από τις ζώνες ενέργειας αποκτούν ιδιαίτερη σημασία. Αυτές είναι

Ζώνη Βαλεντίας

Αυτή η ζώνη ενέργειας περιέχει τα ηλεκτρόνια βαλεντίας (ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά ενός ατόμου) και μπορεί να είναι είτε εντελώς ή μερικώς γεμάτη. Σε διαθερμία διαθέσιμη, αυτή είναι η υψηλότερη ζώνη ενέργειας που περιέχει ηλεκτρόνια.

Ζώνη Ηλεκτροποσιμότητας

Η χαμηλότερη ζώνη ενέργειας η οποία συνήθως δεν είναι κατειλημμένη από ηλεκτρόνια σε διαθερμία διαθέσιμη ονομάζεται ζώνη ηλεκτροποσιμότητας. Αυτή η ζώνη ενέργειας περιέχει ηλεκτρόνια που είναι ελεύθερα από την ελκτική δύναμη του πυρήνα του ατόμου.
Σε γενικές γραμμές, η ζώνη βαλεντίας είναι μια ζώνη με χαμηλότερη ενέργεια σε σύγκριση με τη ζώνη ηλεκτροποσιμότητας και επομένως βρίσκεται κάτω από τη ζώνη ηλεκτροποσιμότητας στο διάγραμμα ζώνων ενέργειας (Σχήμα 2). Τα ηλεκτρόνια στη ζώνη βαλεντίας είναι ελαφρά δεμένα με τον πυρήνα του ατόμου και μετακινούνται στη ζώνη ηλεκτροποσιμότητας όταν το υλικό ενεργοποιείται (π.χ., θερμικά).

Σημασία των Ζώνων Ενέργειας

Είναι γνωστό ότι η ηλεκτροποσιμότητα μέσω των υλικών φέρεται από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που παρούσαν σε αυτά. Αυτή η πραγματικότητα μπορεί να επαναληφθεί σε όρους της θεωρίας των ζώνων ενέργειας ως «τα ηλεκτρόνια που παρούσαν στη ζώνη ηλεκτροποσιμότητας είναι τα μόνα που συμβάλλουν στη μηχανική ηλεκτροποσιμότητας». Ως αποτέλεσμα, μπορεί να ταξινομήσει τα υλικά σε διαφορετικές κατηγορίες με την παρατήρηση του διαγράμματος ζώνων ενέργειας.
Για παράδειγμα, αν το διάγραμμα ζώνων ενέργειας δείχνει μια σημαντική επικάλυψη μεταξύ της ζώνης βαλεντίας και της ζώνης ηλεκτροποσιμότητας (Σχήμα 3a), τότε σημαίνει ότι το υλικό έχει πλούσια ελεύθερα ηλεκτρόνια, λόγω των οποίων μπορεί να θεωρηθεί καλός ηλεκτροποσιμότητας, δηλαδή ένα μέταλλο.

Από την άλλη πλευρά, αν έχουμε ένα διάγραμμα ζώνης ενέργειας στο οποίο υπάρχει μεγάλη απόσταση μεταξύ της ζώνης βαλεντίας και της ζώνης ηλεκτροποσιμότητας (Σχήμα 3b), αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται να παρέχουμε στο υλικό μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να επιτευχθεί η γεμάτη ζώνη ηλεκτροποσιμότητας. Αυτό μπορεί να είναι δύσκολο ή μερικές φορές ακόμη και πρακτικά αδύνατο. Αυτό θα αφήσει τη ζώνη ηλεκτροποσιμότητας χωρίς ηλεκτρόνια, λόγω των οποίων το υλικό θα αποτύχει να ηλεκτροποσιμοποιηθεί. Έτσι, αυτού του τύπου τα υλικά θα είναι απομονωτικά.
Τώρα, αν έχουμε ένα υλικό που δείχνει μια μικρή απόσταση μεταξύ της ζώνης βαλεντίας και της ζώνης ηλεκτροποσιμότητας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3c, μπορούμε να κάνουμε τα ηλεκτρόνια στη ζώνη βαλεντίας να καταλάβουν τη ζώνη ηλεκτροποσιμότητας παρέχοντας μικρή ποσότητα ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι, αν και τέτοια υλικά είναι συνήθως απομονωτικά, μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτροποσιμότητα με εξωτερική ενέργεια. Έτσι, αυτά τα υλικά θα ονομά