Energi-bånd i krystaller

Ifølge Niels Bohrs teori om atomstruktur har alle atomer diskrete energinivåer rundt sitt sentrale kjernen (mer om dette kan finnes i artikkelen “Atomic Energy Levels”). La oss nå overveie tilfellet der to eller flere slike atomer plasseres nær hverandre. I dette tilfellet blir strukturen av deres diskrete energinivåer transformert til en energibåndstruktur. Det vil si, i stedet for diskrete energinivåer, kan man finne diskrete energibånd. Årsaken til dannelsen av slike energibånd i krystaller er den gensidige interaksjonen mellom atomene, som er et resultat av elektromagnetiske krefter som virker mellom dem.
Figur 1 viser en typisk oppstilling av slike energibånd. Her kan energibånd 1 tenkes å være analogt med energinivå E1 av et isolert atom, og energibånd 2 til nivå E2 og så videre.

Dette tilsvarer at elektronene nærmere kjernen av de interagerende atomene utgjør energibånd 1, mens de i deres korresponderende ytre baner resulterer i høyere energibånd.

I virkeligheten består hvert av disse båndene av flere energinivåer som er veldig tett spisset.

Fra figuren er det tydelig at antallet energinivåer som forekommer i et spesifikt energibånd øker med økningen i det betrakte energibåndet, altså er tredje energibånd bredere enn det andre, som igjen er bredere enn det første. Deretter kalles rommet mellom hvert av disse båndene for forbudt bånd eller båndgap (Figur 1). Videre er alle elektronene som er til stede i krystallet tvunget til å være til stede i ett av energibåndene. Dette betyr at elektronene ikke kan finnes i energibåndgapregionen.

Typer av Energibånd

Energibånd i et krystall kan være av ulike typer. Noen av dem vil være helt tomme, derfor kalles de tomme energibånd, mens noen flere vil være helt fylte og derfor kalles fylte energibånd. Vanligvis vil de fylte energibånd være de laveste energinivåene som ligger nærmere atomkjernen og har ingen frie elektroner, noe som betyr at de ikke kan bidra til ledning. Det finnes også en annen type energibånd som kan være en kombinasjon av tomme og fylte energibånd, kalt blandede energibånd.
Likevel er man i feltet for elektronikk spesielt interessert i ledningsmekanismen. Som en konsekvens av dette, får to av energibåndene ekstrem viktighet. Disse er

Valensbånd

Dette energibåndet inneholder valenselektroner (elektroner i det ytreste banen av et atom) og kan være fullstendig eller delvis fylt. Ved romtemperatur er dette det høyeste energibåndet som inneholder elektroner.

Ledningsbånd

Det laveste energibånd som vanligvis ikke er opptatt av elektroner ved romtemperatur, kalles ledningsbånd. Dette energibåndet inneholder elektroner som er frie fra den attraktive kraften av atomkjernen.
Generelt er valensbånd et bånd med lavere energi sammenlignet med ledningsbåndet, og derfor er det funnet under ledningsbåndet i energibånddiagrammet (Figur 2). Elektronene i valensbåndet er løst bundet til atomkjernen og hopper inn i ledningsbåndet når materialet blir opphisset (f.eks. termisk).

Betydningen av Energibånd

Det er velkjent at ledning gjennom materialer skjer bare av de frie elektronene som er til stede i dem. Dette faktum kan gjenformuleres i termer av energibåndteorien som “de elektronene som er til stede i ledningsbåndet, er de eneste som bidrar til ledningsmekanismen”. Som en konsekvens av dette, kan man klassifisere materialer i forskjellige kategorier ved å se på deres energibånddiagram.
For eksempel, la oss si at energibånddiagrammet viser en betydelig overlapp mellom valensbåndet og ledningsbåndet (Figur 3a), da betyr det at materialet har mange frie elektroner i seg, som gjør at det kan betraktes som en god leder av elektrisitet, altså et metall.

På den andre siden, hvis vi har et energibånd diagram der det er en stor kløft mellom valensbåndet og ledningsbåndet (Figur 3b), betyr dette at man må gi materialet en stor mengde energi for å få et fylt ledningsbånd. Nogle ganger kan dette være vanskelig eller noen ganger enda praktisk umulig. Dette vil la ledningsbåndet være uten elektroner, slik at materialet mislykkes med å lede. Slik type materialer vil være isolatorer.
Nå, la oss si at vi har et materiale som viser en liten separasjon mellom valensbåndet og ledningsbåndet som vist av Figur 3c. I dette tilfellet kan man få elektronene i valensbåndet til å ta i bruk ledningsbåndet ved å gi litt energi. Dette betyr at selv om slike materialer normalt er isolatorer, kan de bli konvertert til å fungere som ledere ved å opphisse dem eksternt. Derfor vil slike materialer kalles halvledere.

Erklæring: Respekt for originaliteten, godt artikler verdt å dele, hvis det er overtramp kontakt slett.