Energiebanden in kristallen

Volgens de atoomstructuurtheorie van Neil Bohr hebben alle atomen discrete energieniveaus rond hun centrale kern (meer hierover kan worden gevonden in het artikel “Atoomenergieniveaus”). Overweeg nu het geval waarin twee of meer dergelijke atomen dicht bij elkaar worden geplaatst. In dit geval verandert de structuur van hun discrete energieniveaus in een energiebandstructuur. Dat wil zeggen, in plaats van discrete energieniveaus, vindt men discrete energiebanden. De oorzaak achter de vorming van dergelijke energiebanden in kristallen is de wederzijdse interactie tussen de atomen, die het resultaat is van elektromagnetische krachten die tussen hen werken.
Figuur 1 toont een typische rangschikking van dergelijke energiebanden. Hier kan energieband 1 worden gezien als analoog aan het energieniveau E1 van een geïsoleerd atoom en energieband 2 aan het niveau E2 enzovoort.

Dit is equivalent aan het zeggen dat de elektronen dichter bij de kernen van de interactieve atomen energieband 1 vormen, terwijl de elektronen in de overeenkomstige buitenste banen resulteert in hogere energiebanden.

In de praktijk bestaat elke band uit meerdere energieniveaus die zeer dicht op elkaar liggen.

Uit de figuur blijkt dat het aantal energieniveaus dat in een bepaalde energieband verschijnt toeneemt naarmate de beschouwde energieband groter wordt, dus de derde energieband is breder dan de tweede, die echter breder is dan de eerste. Vervolgens wordt de ruimte tussen deze banden de verboden band of bandgap genoemd (Figuur 1). Verder worden alle elektronen binnen het kristal gedwongen om in een van de energiebanden aanwezig te zijn. Dit betekent dat de elektronen niet in de energiebandgap kunnen worden gevonden.

Soorten energiebanden

Energiebanden in een kristal kunnen van verschillende soorten zijn. Sommige ervan zullen volledig leeg zijn, waardoor ze lege energiebanden worden genoemd, terwijl andere volledig gevuld zijn en daarom gevulde energiebanden worden genoemd. Meestal zullen de gevulde energiebanden de lagere energieniveaus zijn die dichter bij de kern van het atoom liggen en geen vrije elektronen hebben, wat betekent dat ze niet kunnen geleiden. Er bestaan ook nog eens energiebanden die een combinatie zijn van lege en gevulde energiebanden, de gemengde energiebanden.
Toch is men in de elektronica vooral geïnteresseerd in de geleidingsmechanismen. Daarom krijgen hier twee van de energiebanden extreem belang. Deze zijn

Valentieband

Deze energieband bestaat uit valentie-elektronen (elektronen in de buitenste baan van een atoom) en kan volledig of gedeeltelijk gevuld zijn. Bij kamertemperatuur is dit de hoogste energieband die elektronen bevat.

Geleidingsband

De laagste energieband die meestal niet bezet is door elektronen bij kamertemperatuur, wordt de geleidingsband genoemd. Deze energieband bestaat uit elektronen die vrij zijn van de aantrekkende kracht van de kern van het atoom.
In het algemeen is de valentieband een band met lagere energie in vergelijking met de geleidingsband en bevindt zich daardoor onder de geleidingsband in het energiebanddiagram (Figuur 2). De elektronen in de valentieband zijn los gebonden aan de kern van het atoom en springen naar de geleidingsband wanneer het materiaal wordt opgewonden (bijvoorbeeld thermisch).

Betekenis van energiebanden

Het is bekend dat geleiding door materialen wordt veroorzaakt door alleen de vrije elektronen die erin aanwezig zijn. Dit feit kan in termen van de energiebandtheorie worden herformuleerd als "alleen de elektronen in de geleidingsband dragen bij aan het geleidingsmechanisme". Als gevolg hiervan kan men materialen in verschillende categorieën indelen door naar hun energiebanddiagram te kijken.
Voorbeeld, stel dat het energiebanddiagram een aanzienlijke overlapping toont tussen de valentie- en de geleidingsband (Figuur 3a), dan betekent dit dat het materiaal overvloedig vrije elektronen heeft, waardoor het kan worden beschouwd als een goede geleider van elektriciteit, namelijk een metaal.

Aan de andere kant, als we een energieband-diagram hebben waarin er een grote kloof is tussen de valentie- en de geleidingsband (Figuur 3b), betekent dit dat we het materiaal moeten voorzien van een grote hoeveelheid energie om de gevulde geleidingsband te verkrijgen. Soms kan dit moeilijk of zelfs praktisch onmogelijk zijn. Dit zou de geleidingsband leeg laten van elektronen, waardoor het materiaal niet kan geleiden. Dus zulke materialen zouden isolatoren zijn.
Nu, stel dat we een materiaal hebben dat een lichte scheiding toont tussen de valentie- en de geleidingsband zoals getoond in Figuur 3c. In dit geval kunnen we de elektronen in de valentieband de geleidingsband laten bezetten door een lichte hoeveelheid energie toe te voeren. Dit betekent dat hoewel dergelijke materialen meestal isolatoren zijn, ze kunnen worden omgezet in geleiders door ze extern op te wekken. Dus deze materialen worden halfgeleiders genoemd.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de elkaar waard om gedeeld te worden, indien er inbreuk is wordt verzoekt om te verwijderen.