Energetske trake u kristalima

Prema Neil Bohrsoj teoriji atomske strukture, svi atomski su se pokazali imati diskretne energetske razina oko njihovog centralnog jezgra (više o ovome može se pronaći u članku “Energetske razine atoma”). Sada razmotrimo slučaj gdje dva ili više takvih atoma postavljaju se bliže jedan drugom. U tom slučaju, struktura njihovih diskretnih energetskih razina pretvara se u strukturu energetskih pasova. To znači da umjesto diskretnih energetskih razina, možemo pronaći diskretne energetske pasove. Razlog za formiranje takvih energetskih pasova u kristalima je međusobna interakcija između atoma, koja je rezultat elektromagnetskih sila koje djeluju između njih.
Slika 1 prikazuje tipičnu raspodjelu takvih energetskih pasova. Ovdje se energetski pas 1 može smatrati analogon razini E1 izoliranog atoma, a energetski pas 2 razini E2 i tako dalje.

To je ekvivalentno tome da se kaže da elektroni bliži jezgru interaktivnih atoma čine energetski pas 1, dok oni u odgovarajućim vanjskim orbitama rezultiraju višim energetskim pasovima.

U stvarnosti, svaki od tih pasova sastoji se od mnogo energetskih razina koje su vrlo blizu jedna drugoj.

Iz slike je očito da broj energetskih razina koji se pojavljuju u određenom energetskom pasu povećava s povećanjem razmatranog energetskog pasu, tj. treći energetski pas je širi od drugog, koji je opet širiji nego prvi. Zatim, prostor između svakog od tih pasova zove se zabranjeni pas ili pasni razmak (Slika 1). Dalje, svi elektroni prisutni unutar kristala su prisiljeni biti prisutni u bilo kojem od energetskih pasova. To znači da elektroni ne mogu biti pronađeni u regiji pasnog razmaka.

Vrste energetskih pasova

Energetski pasovi u kristalu mogu biti različitih vrsta. Neki od njih bi potpuno prazni, zbog čega se zovu prazni energetski pasovi, dok bi još neki bili potpuno popunjeni i stoga se nazivaju popunjeni energetski pasovi. Obično, popunjeni energetski pasovi će biti niže energetske razine koje leže bliže atomskom jezgru i nemaju slobodne elektrone, što znači da ne mogu doprinijeti provodnosti. Također postoje i još jedna skupina energetskih pasova, koja može biti kombinacija praznih i popunjenih energetskih pasova, zvana miješani energetski pasovi.
Ipak, u području elektronike posebno nas zanima mehanizam provodnosti. Stoga, ovdje, dvije energentseke pasove dobivaju izuzetnu važnost. To su

Pas valentnih stanja

Ovaj energetski pas sastoji se od valentnih elektrona (elektrona u najvanjšoj orbiti atoma) i može biti potpuno ili djelomično popunjen. Pri sobnoj temperaturi, to je najviši energetski pas koji sadrži elektrone.

Pas provodnosti

Najniži energetski pas koji obično nije zauzet elektronima pri sobnoj temperaturi zove se pas provodnosti. Taj energetski pas sastoji se od elektrona koji su slobodni od privlačne sile atomskog jezgra.
Općenito, pas valentnih stanja je pas s nižom energijom u usporedbi s pasom provodnosti i stoga se nalazi ispod pasu provodnosti na dijagramu energetskih pasova (Slika 2). Elektroni u pasu valentnih stanja slabo su vezani za atomsko jezgro i preskaču u pas provodnosti kada se materijal pobuđuje (recimo, termički).

Važnost energetskih pasova

Dobro je poznato da provodnost kroz materijale dovodi samo slobodni elektroni prisutni u njima. Taj fakt može se restatuirati u terminima teorije energetskih pasova kao “elektroni prisutni u pasu provodnosti su jedini koji doprinose mehanizmu provodnosti”. Stoga, materijale možemo klasificirati u različite kategorije gledajući na njihov dijagram energetskih pasova.
Npr., ako dijagram energetskih pasova pokazuje značajan preklapanje između pasu valentnih stanja i pasu provodnosti (Slika 3a), to znači da materijal ima obilje slobodnih elektrona, zbog čega se može smatrati dobro provodnikom električne struje, tj. metalom.

S druge strane, ako imamo dijagram energetskih pasova u kojem postoji veliki razmak između pasu valentnih stanja i pasu provodnosti (Slika 3b), to znači da moramo materijalu pružiti veliku količinu energije kako bismo dobili popunjen pas provodnosti. Ponekad to može biti teško ili čak praktično nemoguće. To bi ostavilo pas provodnosti bez elektrona, zbog čega materijal ne bi mogao provoditi. Stoga, takvi materijali bi bili izolatorima.
Sada, recimo da imamo materijal koji pokazuje malo razdvajanje između pasu valentnih stanja i pasu provodnosti, kao što je prikazano na Slici 3c. U tom slučaju, možemo omogućiti da elektroni u pasu valentnih stanja zauzmu pas provodnosti pružajući malo energije. To znači da, iako takvi materijali obično su izolatori, oni se mogu pretvoriti u provodnike njihovim vanjskim pobuđivanjem. Stoga, takvi materijali zovu se poluprovodnici.

Izjava: Poštujte original, dobre članke su vrijedni podjele, ukoliko postoji kršenje autorskih prava kontaktirajte za brisanje.