კრისტალებში ენერგიის ზონები

ნილს ბოჰრის ატომური სტრუქტურის თეორიის თანახმად, ყველა ატომი აქვს დისკრეტული ენერგიის მასივები ცენტრალური ანდაზე (შესაძლებელია ეს იპოვოთ სტატიაში “ატომური ენერგიის მასივები”). ახლა ჩავთვალოთ ისეთი შემთხვევა, როდესაც ორი ან მეტი ასეთი ატომი არის ერთმანეთთან ახლოს. ამ შემთხვევაში, დისკრეტული ენერგიის მასივების სტრუქტურა იღებს ენერგიის ბანდის სტრუქტურას. ანუ, დისკრეტული ენერგიის მასივების ნაცვლად, შეიძლება ნახოთ დისკრეტული ენერგიის ბანდები. ასეთი ენერგიის ბანდების ფორმირების მიზეზი არის ატომებს შორის ერთმანეთთან ინტერაქცია, რომელიც არის ელექტრომაგნიტური ძალების შედეგი, რომლებიც მათ შორის მოქმედებს.
რის. 1 აჩვენებს ტიპიურ ენერგიის ბანდების დალაგებას. აქ ენერგიის ბანდი 1 შეიძლება იყოს ანალოგური ენერგიის მასივ E1-ის არადაზღვეული ატომისთვის და ენერგიის ბანდი 2 მასივ E2-ისთვის და ა.შ.

ეს არის ტოლფასი იმის თქმა, რომ ელექტრონები, რომლებიც არიან ახლოს ინტერაქტირების ატომების ანდაზე, შედიან ენერგიის ბანდ 1-ში, ხოლო იმათ შესაბამისი გარე ტრაექტორიებიდან წარმომდებარე უფრო მაღალი ენერგიის ბანდები.

რeczywistości, każdy z tych pasm składa się z wielu poziomów energetycznych, które są bardzo blisko siebie.

Z rysunku wynika, że liczba poziomów energetycznych, które pojawiają się w danym pasmie energetycznym, rośnie wraz ze wzrostem rozważanego pasma energetycznego, tj. trzecie pasmo energetyczne jest szersze niż drugie, które jednak jest szersze w porównaniu z pierwszym. Następnie, przestrzeń między tymi pasmami nazywana jest zabronionym pasmem lub przerwą energetyczną (Rys. 1). Ponadto wszystkie elektrony obecne w kryształu są zmuszone do przebywania w jednym z pasm energetycznych. To oznacza, że elektrony nie mogą być znalezione w obszarze przerwy energetycznej.

Typy pasm energetycznych

Pasma energetyczne w krysztale mogą być różnych typów. Niektóre z nich będą całkowicie puste, dlatego nazywane są pustymi pasmami energetycznymi, podczas gdy inne będą całkowicie wypełnione i nazywane są wypełnionymi pasmami energetycznymi. Zazwyczaj, wypełnione pasma energetyczne będą niższymi poziomami energetycznymi, które leżą bliżej jądra atomu i nie mają swobodnych elektronów, co oznacza, że nie mogą służyć do przewodzenia. Istnieje również jeszcze inny zestaw pasm energetycznych, który może być kombinacją pustych i wypełnionych pasm energetycznych, zwanych mieszanką pasm energetycznych.
Jednak w dziedzinie elektroniki szczególnie interesuje nas mechanizm przewodzenia. W związku z tym, tutaj dwa z pasm energetycznych zyskują ekstremalne znaczenie. Są to

Pasmu walencyjne

To pasmo energetyczne obejmuje elektrony walencyjne (elektrony w najbardziej zewnętrznym orbitalu atomu) i może być albo całkowicie, albo częściowo wypełnione. Przy temperaturze pokojowej, to jest najwyższe pasmo energetyczne, które obejmuje elektrony.

Pasmu przewodzące

Najniższe pasma energetyczne, które zazwyczaj nie są zajęte przez elektrony przy temperaturze pokojowej, nazywane są pasmami przewodzącymi. To pasmo energetyczne obejmuje elektrony, które są wolne od przyciągającej siły jądra atomowego.
Ogólnie rzecz biorąc, pasmo walencyjne jest pasmem o niższej energii w porównaniu z pasmem przewodzącym i znajduje się poniżej pasma przewodzącego na diagramie pasm energetycznych (Rys. 2). Elektrony w pasmie walencyjnym są luźno związane z jądrem atomowym i przechodzą do pasma przewodzącego, gdy materiał jest pobudzany (np. termicznie).

Znaczenie pasm energetycznych

Wiadomo, że przewodzenie przez materiały jest spowodowane tylko swobodnymi elektronami obecnymi w nich. Ten fakt można ponownie sformułować w terminach teorii pasm energetycznych jako "tylko elektrony obecne w pasmie przewodzącym przyczyniają się do mechanizmu przewodzenia". W rezultacie można sklasyfikować materiały na różne kategorie, patrząc na ich diagram pasm energetycznych.
Na przykład, powiedzmy, że diagram pasm energetycznych pokazuje znaczącą nakładkę między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzącym (Rys. 3a), to oznacza, że materiał ma obfite ilości swobodnych elektronów, dzięki czemu można go uznać za dobry przewodnik elektryczności, czyli metal.

Z drugiej strony, jeśli mamy pasma energetyczne na diagramie, gdzie jest duża przerwa między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzącym (Rys. 3b), to oznacza, że należy dostarczyć materiałowi dużą ilość energii, aby uzyskać wypełnione pasmo przewodzące. Czasami to może być trudne, a nawet praktycznie niemożliwe. To pozostawi pasmo przewodzące puste z elektronów, co sprawi, że materiał nie będzie przewodził. Takie materiały byłyby izolatorami.
A teraz, powiedzmy, że mamy materiał, który pokazuje niewielką separację między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzącym, jak pokazano na Rys. 3c. W takim przypadku można spowodować, że elektrony w pasmie walencyjnym zajmą pasmo przewodzące, dostarczając niewielką ilość energii. Oznacza to, że pomimo tego, że takie materiały są zwykle izolatorami, można je przekształcić w przewodniki, pobudzając je zewnętrznie. Dlatego takie materiały będą nazywane półprzewodnikami.

Zapytanie: Szanuj oryginał, dobre artykuły warto udostępniać, jeśli wystąpi naruszenie praw autorskich, skontaktuj się, aby usunąć.