بند های انرژی در بلورها

بر اساس نظریه ساختار اتمی نیل بوهر، همه اتوم‌ها دارای سطوح انرژی گسسته حول هسته مرکزی خود (اطلاعات بیشتر در مقاله "سطح‌های انرژی اتمی") هستند. حال فرض کنید چندین اتم به یکدیگر نزدیک شوند. در این صورت، ساختار گسسته سطوح انرژی آن‌ها به ساختار باندهای انرژی تبدیل می‌شود. به عبارت دیگر، به جای سطوح انرژی گسسته، می‌توان باندهای انرژی گسسته را مشاهده کرد. علت تشکیل چنین باندهای انرژی در بلورها برخورد متقابل بین اتم‌ها است که نتیجه نیروهای الکترومغناطیسی بین آن‌ها می‌باشد.
شکل 1 یک تنظیم معمول از چنین باندهای انرژی را نشان می‌دهد. در اینجا باند انرژی 1 می‌تواند مانند سطح انرژی E1 یک اتم جدا شده و باند انرژی 2 مانند سطح E2 و به همین ترتیب در نظر گرفته شود.

این معادل با این است که گفته شود الکترون‌های نزدیک‌تر به هسته اتم‌های تعاملی باند انرژی 1 را تشکیل می‌دهند در حالی که آنهایی که در مدارهای خارجی متناظر آن‌ها قرار دارند منجر به باندهای انرژی بالاتر می‌شوند.

در واقع، هر یک از این باندها شامل چندین سطح انرژی است که بسیار نزدیک به هم قرار دارند.

از شکل پیداست که تعداد سطوح انرژی که در یک باند انرژی خاص ظاهر می‌شوند با افزایش باند انرژی در نظر گرفته شده افزایش می‌یابد یعنی باند انرژی سوم گسترده‌تر از باند دوم است که خود گسترده‌تر از باند اول است. بعد از آن، فاصله بین هر یک از این باندها به عنوان باند ممنوع یا فاصله باند (شکل 1) شناخته می‌شود. علاوه بر این، تمام الکترون‌های موجود در داخل بلور مجبور هستند در یکی از باندهای انرژی حضور داشته باشند. این به معنای این است که الکترون‌ها نمی‌توانند در ناحیه فاصله باند انرژی یافت شوند.

نوع‌های باندهای انرژی

باندهای انرژی در یک بلور می‌توانند از انواع مختلفی باشند. برخی از آن‌ها کاملاً خالی هستند که به این خاطر باندهای انرژی خالی نامیده می‌شوند و برخی دیگر کاملاً پر هستند و بنابراین باندهای انرژی پر نامیده می‌شوند. معمولاً، باندهای انرژی پر سطوح انرژی پایین‌تری هستند که نزدیک به هسته اتم قرار دارند و الکترون آزادی ندارند، به این معنی که نمی‌توانند برای هدایت استفاده شوند. همچنین مجموعه‌ای از باندهای انرژی وجود دارد که ممکن است ترکیبی از باندهای انرژی خالی و پر باشند که باندهای انرژی ترکیبی نامیده می‌شوند.
با این حال در زمینه الکترونیک به مکانیسم هدایت علاقه خاصی داریم. بنابراین، در اینجا دو باند انرژی اهمیت فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. این‌ها عبارتند از

باند والانس

این باند انرژی شامل الکترون‌های والانس (الکترون‌های در مدار خارجی اتم) است که می‌تواند کاملاً یا بخشی پر باشد. در دمای اتاق، این بالاترین باند انرژی است که شامل الکترون‌ها می‌شود.

باند هدایت

پایین‌ترین باند انرژی که معمولاً در دمای اتاق توسط الکترون‌ها پر نمی‌شود به عنوان باند هدایت شناخته می‌شود. این باند انرژی شامل الکترون‌هایی است که از نیروی جاذبه هسته اتم آزاد هستند.
به طور کلی، باند والانس یک باند با انرژی پایین‌تر نسبت به باند هدایت است و بنابراین در نمودار باند انرژی زیر باند هدایت قرار می‌گیرد (شکل 2). الکترون‌های در باند والانس به آرامی به هسته اتم متصل هستند و وقتی مواد تحریک می‌شوند (مثلاً حرارتی) به باند هدایت می‌پردازند.

اهمیت باندهای انرژی

众所周之，材料中的导电是由其中的自由电子引起的。这一事实可以用能带理论重新表述为“只有导带中的电子才对导电机制有贡献”。因此，通过观察材料的能带图，可以将材料分为不同的类别。
例如，如果能带图显示价带和导带之间有相当大的重叠（图3a），则意味着该材料中有丰富的自由电子，因此可以认为它是良好的 هادی برق یعنی یک فلز.

از طرف دیگر اگر یک باند انرژی داشته باشیم که در آن فاصله بزرگی بین باند والانس و باند هدایت وجود دارد (شکل 3b)، این به این معناست که باید مقدار زیادی انرژی به ماده ارائه دهیم تا باند هدایت پر شود. گاهی اوقات این کار سخت یا حتی عملی غیرممکن است. این باعث می‌شود که باند هدایت بدون الکترون باقی بماند و ماده نتواند هدایت کند. بنابراین، این نوع مواد عایق‌ها خواهند بود.
حال فرض کنید یک ماده دارای جدایی کمی بین باند والانس و باند هدایت مانند شکل 3c باشد. در این صورت، می‌توان با ارائه مقدار کمی انرژی الکترون‌های در باند والانس را به باند هدایت منتقل کرد. این به این معناست که اگرچه این مواد معمولاً عایق هستند، اما می‌توان با تحریک خارجی آن‌ها را به هادی تبدیل کرد. بنابراین این مواد به عنوان halbgeleiter شناخته می‌شوند.

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