Kristaalien energiaalueet

Neil Bohrin atomirakenteen teorian mukaan kaikki atomit on havaittu olevan diskreettejä energiatasoja ympäröidessään keskusytimen (lisätietoja artikkelissa “Atomin energialevels”). Nyt kuvittele tapaus, jossa kaksi tai useampi tällainen atomi on sijoitettu lähelle toisiaan. Tässä tapauksessa niiden diskreettien energiatason rakenne muuttuu energiabändirakenteeksi. Toisin sanoen, diskreettien energiatasojen sijaan voi löytää diskreettejä energiabändejä. Sellaisen energiabändien muodostumisen kristalleissa taustalla on atomien välinen vuorovaikutus, joka on tulosta niiden välillä toimivista sähkömagneettisista voimista.
Kuva 1 näyttää tyypillisen energiabändien järjestelyn. Tässä energiabändi 1 voidaan ajatella vastaavan eristetyn atomin energiatasoa E1 ja energiabändi 2 tasoa E2 ja niin edelleen.

Tämä on sama kuin sanoa, että elektronit, jotka ovat lähellä vuorovaikutuksessa olevien atomien ytimen, muodostavat energiabändi 1, kun taas ne ulommissa orbiiteissa johtavat korkeampiin energiabändeihin.

Oikeasti jokainen näistä bändistä koostuu monista energiatasoista, jotka ovat hyvin tiiviisti ryhmiteltyjä.

Kuvasta on selvää, että energiabändissä esiintyvien energiatason lukumäärä kasvaa energiabändin kasvaessa, eli kolmas energiabändi on leveämpi kuin toinen, joka on kuitenkin leveämpi verrattuna ensimmäiseen. Seuraavaksi näiden bändien välillä oleva tila kutsutaan kielletyksi bändiksi tai bändiaukoksi (Kuva 1). Lisäksi kaikki elektronit, jotka ovat kristallissa, pakotetaan olemaan jossakin energiabändissä. Tämä tarkoittaa, että elektronit eivät voi olla energiabändiaukon alueella.

Energibändien tyypit

Kristallessa olevat energiabändit voivat olla erilaisia. Joitakin niistä on täysin tyhjiä, joten niitä kutsutaan tyhjiksi energiabändeiksi, kun taas joitakin muita on täysin täytettyjä ja niitä kutsutaan täytetyiksi energiabändeiksi. Yleensä täytetyt energiabändit ovat alhaisempia energiatasoja, jotka sijaitsevat lähempänä atomin ytimen ja eivät sisällä vapaita elekronia, mikä tarkoittaa, että ne eivät pysty johtamaan. On myös olemassa vielä toinen joukko energiabändejä, jotka voivat olla yhdistelmä tyhjiä ja täytettyjä energiabändejä, ja niitä kutsutaan sekoitetuiksi energiabändeiksi.
Silti sähkötekniikan alalla on erityisen kiinnostavaa johtamismekanismi. Tämän vuoksi tässä kahdella energiabändillä on erityinen merkitys. Nämä ovat

Valenssibändi

Tämä energiabändi koostuu valensseelektronista (elektronit atomin ulommissa orbiiteissa) ja se voi olla joko täysin tai osittain täytetty. Huoneen lämpötilassa tämä on korkein energiabändi, joka sisältää elektronit.

Johtamisbändi

Alin energiabändi, joka on yleensä vapaana elektronilta huoneen lämpötilassa, kutsutaan johtamisbändiksi. Tämä energiabändi koostuu elektronista, jotka ovat vapaina atomin ytimen vetovoiman.
Yleisesti ottaen valenssibändi on energialta alhaisempi bändi verrattuna johtamisbändiin ja se sijaitsee siis johtamisbändin alla energiabändidiagrammilla (Kuva 2). Valenssibändin elektronit ovat löyhästi sidottuja atomin ytimeen ja ne hypähtävät johtamisbändiin, kun materiaalia herättävät (esimerkiksi lämmön avulla).

Energibändien merkitys

On hyvin tiedossa, että materiaalien johtaminen tapahtuu vain vapailla elektronilla, jotka niissä ovat. Tämä fakta voidaan uudelleen esittää energiabänditeorian avulla siten, että "energiabändissä olevat elektronit ovat ainoat, jotka vaikuttavat johtamismekanismiin". Tämän seurauksena materiaaleja voidaan luokitella eri kategorioihin energiabändidiagrammin perusteella.
Esimerkiksi, jos energiabändidiagrammi näyttää huomattavan ylipeittymisen valenssi- ja johtamisbändien välillä (Kuva 3a), tarkoittaa se, että materiaalissa on runsaasti vapaita elektronit, joten sitä voidaan pitää hyvänä johtajana sähköä, eli metallina.

Toisaalta, jos meillä on energiabändi-diagrammi, jossa on suuri aukko valenssi- ja johtamisbändien välillä (Kuva 3b), tarkoittaa se, että materiaalille on tarjottava suuri määrä energiaa, jotta saadaan täytetty johtamisbändi. Usein tämä voi olla vaikeaa tai jopa käytännössä mahdotonta. Tämä jättäisi johtamisbändin tyhjäksi elektronilta, joten materiaali epäonnistuisi johtamisessa. Näin ollen tällaisia materiaaleja kutsutaan eristeiksi.
Nyt, jos meillä on materiaali, jossa on pieni ero valenssi- ja johtamisbändien välillä, kuten Kuva 3c osoittaa, voimme saada valenssibändin elektronit siirtymään johtamisbändiin antamalla materiaalille pieni määrä energiaa. Tämä tarkoittaa, että vaikka tällaiset materiaalit ovat yleensä eristeitä, ne voidaan muuttaa toimimaan johtajina herättämällä niitä ulkopuolelta. Siksi näitä materiaaleja kutsutaan puolijohteiksi.

Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jakamisen arvoa, jos on rikkominen ota yhteyttä poistamista.