Kristályok energiasávai

A Neil Bohr átomstruktúra-elméletének megfelelően az összes átom diszkrét energiaszinteket mutat a központi magja körül (további információk ebben a cikkben: “Átomi energiaszintek”). Most gondoljunk arra esetre, amikor két vagy több ilyen átom található egymás közelében. Ebben az esetben a diszkrét energiaszintek szerkezete átalakul energiasávok szerkezetévé. Tehát a diszkrét energiaszintek helyett diszkrét energiasávokat találunk. Az ilyen energiasávok kristályokban alakulása oka a kölcsönhatás a szomszédos átomok között, ami elektromágneses erők hatásának eredménye.
Az 1. ábra egy tipikus energiasáv elrendezést mutat. Itt az 1. energiasáv analógiában áll az izolált átom E1 energiaszintjével, a 2. energiasáv pedig az E2 szinttel stb.

Ez azt jelenti, hogy a kölcsönható átomok magjának közeli elektronjai alkotják az 1. energiasávot, míg a külső pályákon lévő elektronok magasabb energiasávokat eredményeznek.

Valójában minden ilyen sáv több, nagyon közeli energiaszintet tartalmaz.

Az ábráról látható, hogy a számos energiaszint, amely egy adott energiasávon belül jelenik meg, növekszik a figyelembe vett energiasáv növekedésével, azaz a harmadik energiasáv szélesebb, mint a második, amely ugyanakkor szélesebb, mint az első. A következő lépésben, a sávok közötti tér tiltott sávként vagy sávként (1. ábra) ismert. Továbbá, a kristályban jelenlévő minden elektron kényszerített, hogy bármelyik energiasávon belül legyen. Ez azt jelenti, hogy az elektronok nem találhatók a sávként definiált területen.

Energiasávok típusai

Energiasávok kristályban lehetnek különböző típusúak. Néhány teljesen üres, ezért üres energiasávoknak nevezik őket, míg mások teljesen kitöltött és ezért kitöltött energiasávoknak hívják őket. Általában a kitöltött energiasávok a magasabb energiaszintek, amelyek a mag közeli részénél találhatók, és nincsenek szabad elektronok, tehát nem tudnak vezetni. Léteznek még olyan energiasávok is, amelyek kevertek, üres és kitöltött energiasávok kombinációja.
Ugyanakkor az elektrotechnikai területen a vezetési mechanizmusra van a fő érdeklődés. Ennek megfelelően itt két energiasáv nyer kiemelten fontos szerepet. Ezek:

Valenciabanda

Ez az energiasáv valenciaelektronokat (átom külső pályáján lévő elektronokat) tartalmaz, és teljesen vagy részben kitöltött lehet. A szobahőmérsékleten ez a legmagasabb energiasáv, amely elektronokat tartalmaz.

Vezetőbanda

A legalsó energiasáv, amely általában üres a szobahőmérsékleten, vezetőbandának nevezik. Ez az energiasáv olyan elektronokat tartalmaz, amelyek szabadon mozoghatnak, nem vonzódnak az átom magjához.
Általánosságban, a valenciabanda alacsonyabb energiájú, mint a vezetőbanda, és így az energiasáv diagramon alacsonyabban található (2. ábra). A valenciabandán lévő elektronok gyenge kötésben vannak az átom magjával, és a anyag felkészítése során (pl. hőtől) ugrálnak a vezetőbandába.

Energiasávok jelentősége

Jól ismert, hogy a vezetési mechanizmus csak a szabad elektronokon keresztül történik. Ez a tény újraformulálható az energiasáv elméletének segítségével: "A vezetőbandán lévő elektronok a vezetési mechanizmusnak adnak hozzá". Ennek megfelelően a anyagokat különböző kategóriákba oszthatjuk, ha megnézzük az energiasáv diagramjukat.
Például, ha az energiasáv diagram jelentős átfedést mutat a valencia- és a vezetőbanda között (3a. ábra), akkor azt jelenti, hogy a anyagban sok szabad elektron van, és ezért jó vezető voltát mutat, azaz fém.

Másrészt, ha van egy energiasáv diagram, amelyben nagy különbség van a valencia- és a vezetőbanda között (3b. ábra), akkor azt jelenti, hogy a anyagnak nagy mennyiségű energiát kellene biztosítani, hogy a vezetőbanda kitöltött legyen. Néha ez nehéz, vagy néha praktikusan lehetetlen. Ez azt eredményezi, hogy a vezetőbanda üres lesz, és a anyag nem tud vezetni. Ezért ilyen anyagok elválasztók lesznek.
Most, tegyük fel, hogy van egy anyag, amely kis elválasztást mutat a valencia- és a vezetőbanda között, ahogy az a 3c. ábra mutatja. Ebben az esetben a valenciabandán lévő elektronokat a vezetőbandába lehet helyezni, ha kis mennyiségű energiát biztosítunk. Ez azt jelenti, hogy ilyen anyagok általában elválasztók, de külső felkészítés révén vezetőképesek lehetnek. Ezért ezeket a anyagokat félvezetőknek nevezik.

Kijelentés: Tiszteletben tartsuk az eredeti, jó cikkeket, amiket megér a megosztás, ha sérül a jog, kérem, vegye le.