Kristallides energiaalad

Neil Bohri atomi struktuuri teooria kohaselt on kõik aatomid leidnud diskreetseid energia tasemeid nende keskmise tuumaga (rohkem sellest saab lugeda artiklist “Aatomi energia tasemed”). Nüüd kaaluge juhtumit, kus kaks või rohkem sellist aatomi asetatakse üksteise lähedale. Sellisel juhul muutub nende diskreetse energia tasemete struktuur energiabandide struktuuriks. See tähendab, et asemel, et oleks diskreetseid energia tasemeid, leiab meile diskreetseid energia bande. Selliste energiabandide kristallides tekke põhjuseks on aatomite vaheline vastastikmine mõju, mis on nende vahel toimiva elektromagnetilise jõu tulemus.
Joonis 1 näitab selliste energia bande tipilist paigutust. Siin võib energia band 1 mõelda analoogiliselt eraldi aatomi energia taseme E1 ja energia band 2 taseme E2 jne.

See on ekvivalentne sellega, et elektronid, mis on lähedal interakteeruvate aatomite tuumale, moodustavad energia band 1, samas kui need, mis on nende vastavates välisiselites, viivad kõrgema energia bandid.

Tegelikkuses moodustab iga energia band mitu väga tihedalt asetsevat energia tasemehelikku.

Joonisest on näha, et energia bande, mis ilmnevad konkreetses energia bandis, arv suureneb kasutatava energia bandi suurenemisega, st kolmas energia band on laiem kui teine, mis on aga laiem kui esimene. Järgmisena nimetatakse nende bande vahelist ala keelatuks bandiks või bandiluuks (Joonis 1). Lisaks peavad kõik kristallis olevad elektronid olema igasuguses energia bandis. See tähendab, et elektronid ei saa olla energia bandiluu alal.

Energia bande tüübid

Kristallides olevad energia bandid võivad olla erineva tüübi. Mõned neist on täiesti tühi, mistõttu neid nimetatakse tühi energia bande, samas kui mõned on täiesti täis ja nende nimetatakse täis energia bande. Tavaliselt on täis energia bande madalamad energia tasemed, mis asuvad lähedal aatomi tuumale ja ei oma vaba elektroni, see tähendab, et need ei saa condukteerida. Olemas on ka veel üks energia bande rühm, mis võib olla kombinatsioon tühi ja täis energia bande, mida nimetatakse segase energia bande.
Kuid elektronikas on üksnes condukteerimismehehismi huvides. Seetõttu omavad siin kaks energia bande äärmiselt olulist rolli. Need on

Valentsband

See energia band sisaldab valentsielektrone (elektronid, mis asuvad aatomi välisimas orbiits) ja võib olla täis või osaliselt täis. Ruumitemperatuuril on see kõrgeim energia band, mis sisaldab elektrone.

Condukteerimisband

Alam energia band, mis tavaliselt ei ole rumalda elektronidega ruumitemperatuuril, nimetatakse condukteerimisbandiks. See energia band sisaldab elektrone, mis on vabanenud aatomi tuuma attraktiivsest jõust.
Üldiselt on valentsband madalam energia band, kui condukteerimisband, seetõttu asub ta energia bandi diagrammil condukteerimisbandi all (Joonis 2). Valentsbandi elektronid on löökaasutatud aatomi tuumaga ja hüppavad condukteerimisbandi, kui materjal on eksiteeritud (nt soojuslikult).

Energia bande tähtsus

On teada, et materjalide läbilaskevus toimub ainult nende vaba elektronide poolt. Seda fakti saab energia bandi teooria kaudu uuesti sõnastada: "energia bandi sees olevad elektronid on need, kes aitavad läbilaskevust". Seetõttu saab materjale klassifitseerida, vaadates nende energia bandi diagrammi.
Näiteks, kui energia bandi diagramm näitab märkimisväärset ülekattuvust valents- ja condukteerimisbandide vahel (Joonis 3a), siis tähendab see, et materjalil on palju vaba elektrone, mistõttu seda võib pidada heaks elektri joobikuna, st metallina.

Teisalt, kui meil on energia bandi diagramm, kus on suur lõng valents- ja condukteerimisbandide vahel (Joonis 3b), siis tähendab see, et materjali tuleb anda suur hulk energiat, et saada täis condukteerimisband. Mõnikord võib see olla raske või isegi praktiliselt võimatu. See jätab condukteerimisbandi ilma elektronideta, mistõttu materjal ei suuda läbilaskea. Seega, sellised materjalid on joobikindlad.
Nüüd, ütleme, et meil on materjal, mis näitab väikest eraldust valents- ja condukteerimisbandide vahel, nagu Joonis 3c. Sel juhul saab tekitada valentsbandi elektrone condukteerimisbandi, andes väikest energiat. See tähendab, et kuigi sellised materjalid on tavaliselt joobikindlad, saab neid tekitada, et toimuks condukteerimine. Seega nimetatakse neid pooljoobikuteks.

Deklaratsioon: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.