نوارهای انرژی در بلورها

بر اساس نظریه ساختار اتمی نیل بور، همه اتم‌ها دارای سطوح انرژی گسسته در اطراف هسته مرکزی خود هستند (اطلاعات بیشتر در مقاله "سطح‌های انرژی اتمی" یافت می‌شود). حال فرض کنید که دو یا چند اتم به یکدیگر نزدیک شوند. در این حالت، ساختار سطوح انرژی گسسته آن‌ها به ساختار باندهای انرژی تبدیل می‌شود. یعنی به جای سطوح انرژی گسسته، می‌توان باندهای انرژی گسسته مشاهده کرد. علت تشکیل چنین باندهای انرژی در بلورها برخورد متقابل بین اتم‌ها است که نتیجه نیروهای الکترومغناطیسی بین آن‌ها است.
شکل ۱ نمایی از چینش چنین باندهای انرژی است. در اینجا باند انرژی ۱ می‌تواند به عنوان معادل سطح انرژی E1 یک اتم جدا شده و باند انرژی ۲ به سطح E2 و به همین ترتیب باشد.

این معادل این است که بگوییم الکترون‌های نزدیک‌تر به هسته اتم‌های تعاملی باند انرژی ۱ را تشکیل می‌دهند در حالی که آنهایی که در مدارهای خارجی متناظرشان 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 مورد نظر افزایش می‌یابد. یعنی باند انرژی سوم گسترده‌تر از باند دوم است که خود نسبت به باند اول گسترده‌تر است. بعداً، فاصله بین هر یک از این باندها به نام باند ممنوع یا فاصله باند (شکل ۱) نامیده می‌شود. بعلاوه، تمام الکترون‌های موجود در بلور مجبور هستند در یکی از باندهای انرژی قرار بگیرند. این به معنای آن است که الکترون‌ها نمی‌توانند در ناحیه فاصله باند انرژی یافت شوند.

انواع باندهای انرژی

باندهای انرژی در یک بلور می‌توانند از انواع مختلفی باشند. برخی از آن‌ها به طور کامل خالی هستند که به نام باندهای انرژی خالی شناخته می‌شوند و برخی دیگر به طور کامل پر شده‌اند و به نام باندهای انرژی پر شناخته می‌شوند. معمولاً، باندهای انرژی پر سطوح انرژی پایین‌تری هستند که نزدیک به هسته اتم قرار دارند و الکترون آزادی ندارند، یعنی نمی‌توانند برای رسانایی مفید باشند. همچنین مجموعه‌ای دیگر از باندهای انرژی وجود دارد که ممکن است ترکیبی از باندهای انرژی خالی و پر باشد و به نام باندهای انرژی ترکیبی شناخته می‌شوند.
با این حال در زمینه الکترونیک، به مکانیسم رسانایی علاقه‌مند هستند. بنابراین، در اینجا دو باند انرژی اهمیت بسیاری پیدا می‌کنند. این‌ها عبارتند از

باند والانس

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

باند رسانایی

پایین‌ترین باند انرژی که معمولاً در دمای اتاق توسط الکترون‌ها پر نمی‌شود به نام باند رسانایی 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 کمتر نسبت به باند رسانایی است و در نمودار باند انرژی زیر باند رسانایی قرار می‌گیرد (شکل ۲). الکترون‌های در باند والانس به صورت ضعیف به هسته اتم متصل هستند و وقتی ماده تحریک می‌شود (مثلاً حرارتی)، به باند رسانایی می‌پردازند.

اهمیت باندهای انرژی

众所周之，材料中的导电是由其中的自由电子带来的。这一事实可以用能带理论重新表述为“只有在导带中的电子才对导电机制有贡献”。因此，可以通过查看其能带图来将材料分类。
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大量的自由电子，因此可以认为它是良好的رسانا یا فلز.

از طرف دیگر، اگر یک باند انرژی داشته باشیم که در آن فاصله بزرگی بین باند والانس و باند رسانایی وجود دارد (شکل ۳b)، این به این معناست که باید به ماده انرژی زیادی ارائه دهیم تا باند رسانایی پر شود. گاهی اوقات، این ممکن است سخت یا حتی عملاً غیرممکن باشد. این باعث می‌شود که باند رسانایی بدون الکترون باقی بماند و ماده نتواند رسانایی کند. بنابراین، این نوع مواد عایق خواهند بود.
حالا، فرض کنید که ماده‌ای داریم که نمودار باند انرژی آن نشان‌دهنده جدایی کمی بین باند والانس و باند رسانایی است (شکل ۳c). در این حالت، می‌توان با ارائه انرژی کمی الکترون‌های در باند والانس را به باند رسانایی منتقل کرد. این به این معناست که اگرچه این مواد معمولاً عایق هستند، اما با تحریک خارجی می‌توانند به رسانا تبدیل شوند. بنابراین این مواد نیمه‌رسانا خوانده می‌شوند.

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