Energični pasovi v kristalih

Glede na Niela Bohra teorijo atomske strukture so vse atomske delečke z diskretnimi energijskimi nivoji okoli njihovega centralnega jedra (več o tem lahko najdete v članku “Energijski nivoji atomov”). Če sedaj upoštevamo primer, kjer so dva ali več takšnih atomov postavljeni blizu drug drugega, se struktura njihovih diskretnih energijskih nivojev pretvori v strukturo energijskih pasov. To pomeni, da namesto diskretnih energijskih nivojev, lahko najdemo diskretne energijske pasove. Prva vzročila za nastanek takšnih energijskih pasov v kristalih je vzajemna interakcija med atomi, ki je posledica elektromagnetnih sil, ki delujejo med njimi.
Slika 1 prikazuje tipično razporeditev takšnih energijskih pasov. Tukaj lahko prvi energijski pas mislimo kot analogon energijskega nivoja E1 izoliranega atoma in drugi energijski pas kot analogon nivoja E2 in tako naprej.

To je enakovredno reči, da elektroni, ki so bližje jedru interagirajočih atomov, sestavljajo prvi energijski pas, medtem ko ti, ki se nahajajo v njihovih odgovarjajočih zunanjih tirnicah, povzročajo višje energijske pasove.

V resnici vsak od teh pasov sestavlja več energijskih nivojev, ki so zelo tesno razporejeni.

Iz slike je očitno, da število energijskih nivojev, ki se pojavijo v določenem energijskem pasu, narašča s povečevanjem upoštevanega energijskega pasa, torej je tretji energijski pas širši od drugega, ki pa je širši od prvega. Nadalje, prostor med vsakim od teh pasov se imenuje prepovedani pas ali pasovni prekorak (Slika 1). Še naprej, vsi elektroni, ki so prisotni znotraj kristala, morajo biti prisotni v enem od energijskih pasov. To pomeni, da elektroni ne morejo biti prisotni v območju pasovnega prekoraka.

Vrste energijskih pasov

Energijski pasi v kristalu lahko obstajajo v različnih vrstah. Nekateri od njih bi bili popolnoma prazni, zaradi česar jih imenujemo prazni energijski pasi, medtem ko bi bili nekateri popolnoma polni in se imenujejo polni energijski pasi. Običajno so polni energijski pasi nižji energijski nivoji, ki ležijo bliže jedru atoma in ne vsebujejo prostih elektronov, kar pomeni, da ne morejo prispevati k prevodnosti. Obstaja tudi še en niz energijskih pasov, ki bi bil kombinacija praznih in polnih energijskih pasov, imenovani mešani energijski pasi.
Vendar v področju elektronike je posebno zanimanje za mehanizem prevodnosti. Zaradi tega tu dva energijska pasa zelo povečata svojo pomembnost. To sta

Valenčni pas

Ta energijski pas vsebuje valenčne elektrone (elektrone v najbolj zunanjem tirnici atoma) in lahko biti popolnoma ali delno poln. Pri sobni temperaturi je to najvišji energijski pas, ki vsebuje elektrone.

Pas prevodnosti

Najnižji energijski pas, ki je običajno nepopoln s elektroni pri sobni temperaturi, se imenuje pas prevodnosti. Ta energijski pas vsebuje elektrone, ki so prosti od privlačne sile jedra atoma.
Splošno velja, da je valenčni pas pas z nižjo energijo v primerjavi s pasom prevodnosti in se zato v diagramu energijskih pasov nahaja pod pasom prevodnosti (Slika 2). Elektroni v valenčnem pasu so slabo vezani na jedro atoma in skočijo v pas prevodnosti, ko je material ozračen (recimo termično).

Pomembnost energijskih pasov

Je znano, da prenos skozi material pripisujemo samo prostim elektronom, ki so prisotni v njem. Ta dejstvo lahko ponovno zastavimo v terminih teorije energijskih pasov kot "elektroni, ki so prisotni v pasu prevodnosti, so edini, ki prispevajo k mehanizmu prevodnosti". Tako lahko material razdelimo na različne kategorije glede na njegov diagram energijskih pasov.
Na primer, če diagram energijskih pasov kaže značilen prekriv med valenčnim in pasom prevodnosti (Slika 3a), to pomeni, da ima material obilje prostih elektronov, zaradi česar ga lahko smatramo za dober prevodnik električne energije, torej metal.

Na drugi strani, če imamo diagram energijskih pasov, v katerem je ogromna vrzel med valenčnim in pasom prevodnosti (Slika 3b), to pomeni, da moramo material opremiti z veliko energijo, da bi dobili poln pas prevodnosti. Ponekdaj to lahko postane težko ali celo praktično nemogoče. To bi pustilo pas prevodnosti brez elektronov, zaradi česar material ne bi mogel prevajati. Torej, ta vrsta materialov bi bila izolatorji.
Nedvoumno, če imamo material, ki kaže majhen razmak med valenčnim in pasom prevodnosti, kot je prikazano na Sliki 3c, lahko z nadgradnjo malo energije prisili elektrone v valenčnem pasu, da zasedejo pas prevodnosti. To pomeni, da čeprav so takšni materiali običajno izolatorji, jih lahko spremenimo v prevodnike z zunanjo ozračitvijo. Zato se ti materiali imenujejo polprevodniki.

Izjava: Spoštujte original, dobre članke so vredni delitve, če gre za kršitev avtorskih pravic, se obvestite za brisanje.