Pasy energetyczne w kryształach

Zgodnie z teorią Neil Bohra struktury atomowej, wszystkie atomy mają dyskretne poziomy energetyczne wokół ich centralnego jądra (więcej na ten temat można znaleźć w artykule „Poziomy energetyczne atomowe”). Teraz rozważmy przypadek, gdy dwa lub więcej takich atomów są umieszczone blisko siebie. W tym przypadku struktura ich dyskretnych poziomów energetycznych przekształca się w strukturę pasm energetycznych. To oznacza, że zamiast dyskretnych poziomów energetycznych, można znaleźć dyskretne pasma energetyczne. Przyczyną powstania takich pasm energetycznych w kryształach jest wzajemne oddziaływanie między atomami, które jest wynikiem działania sił elektromagnetycznych między nimi.
Rysunek 1 pokazuje typowy układ takich pasm energetycznych. Tutaj pasmo energetyczne 1 można uznać za analogiczne do poziomu energetycznego E1 izolowanego atomu, a pasmo energetyczne 2 do poziomu E2 i tak dalej.

To jest równoważne stwierdzeniu, że elektrony bliżej jądra oddziałujących atomów tworzą pasmo energetyczne 1, podczas gdy te w odpowiadających im zewnętrznych orbitach powodują wyższe pasma energetyczne.

W rzeczywistości, każde z tych pasm składa się z wielu poziomów energetycznych, które są bardzo blisko siebie rozmieszczone.

Z rysunku wynika, że liczba poziomów energetycznych, które pojawiają się w danym pasmie energetycznym, zwiększa się wraz ze wzrostem rozważanego pasma energetycznego, to znaczy, trzecie pasmo energetyczne jest szersze niż drugie, które jest jednak szersze w porównaniu z pierwszym. Następnie, przestrzeń między każdym z tych pasm nazywana jest zabronionym pasmem lub przestankiem (Rysunek 1). Ponadto, wszystkie elektrony obecne w kryształu muszą być obecne w jednym z pasm energetycznych. Oznacza to, że elektrony nie mogą być znalezione w regionie przestanku energetycznego.

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. Zwykle wypełnione pasma energetyczne będą stanowić niższe poziomy energetyczne, które leżą bliżej jądra atomu i nie posiadają 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, nazywanych mieszankami pasm energetycznych.
Jednak w dziedzinie elektroniki szczególnie interesuje nas mechanizm przewodzenia. W rezultacie tutaj, dwa z pasm energetycznych nabierają ekstremalnej ważności. Są to

Pasma walencyjne

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

Pasma przewodzenia

Najniższe pasma energetyczne, które zwykle nie są zajęte przez elektrony w temperaturze pokojowej, nazywane są pasmami przewodzenia. To pasmo energetyczne obejmuje elektrony, które są wolne od przyciągania jądra atomowego.
W ogólności, pasma walencyjne to pasma o niższej energii w porównaniu z pasmami przewodzenia i są więc zazwyczaj znajdujące się poniżej pasm przewodzenia w diagramie pasm energetycznych (Rysunek 2). Elektrony w pasmach walencyjnych są słabo związane z jądrem atomu i przechodzą do pasm przewodzenia, gdy materiał jest pobudzany (np. termicznie).

Znaczenie pasm energetycznych

Jest dobrze znane, że przewodzenie przez materiały jest spowodowane tylko przez swobodne elektrony obecne w nich. Ten fakt można ponownie sformułować w terminach teorii pasm energetycznych jako „tylko elektrony obecne w pasmach przewodzenia przyczyniają się do mechanizmu przewodzenia”. W rezultacie można klasyfikować materiały na różne kategorie, patrząc na ich diagram pasm energetycznych.
Na przykład, jeśli diagram pasm energetycznych pokazuje znaczne nachodzenie się pasm walencyjnych i przewodzenia (Rysunek 3a), to oznacza, że materiał ma obfitych swobodnych elektronów, dzięki czemu można go uznać za dobry przewodnik elektryczny, czyli metal.

Z drugiej strony, jeśli mamy diagram pasm energetycznych, w którym istnieje duża luka między pasmami walencyjnymi a przewodzenia (Rysunek 3b), oznacza to, że potrzebujemy dostarczyć materiałowi dużą ilość energii, aby uzyskać wypełnione pasmo przewodzenia. Czasami może to być trudne, a nawet praktycznie niemożliwe. To pozostawi pasmo przewodzenia puste z elektronów, co sprawi, że materiał nie będzie przewodzić. Takie materiały byłyby izolatorami.
Teraz, powiedzmy, że mamy materiał, który pokazuje lekkie rozdzielenie między pasmami walencyjnymi a przewodzenia, jak pokazano na Rysunku 3c. W tym przypadku można sprawić, aby elektrony w pasmach walencyjnych zajęły pasmo przewodzenia, dostarczając niewielką ilość energii. Oznacza to, że choć takie materiały są zwykle izolatorami, można je przekształcić w przewodniki, pobudzając je zewnętrznie. Dlatego te materiały nazywane są półprzewodnikami.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły warto dzielić, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt.