Energetske zone u kristalima

Prema Njutnovoj teoriji atomske strukture, svi atomi imaju diskretne nivoje energije oko njihovog centralnog jezgra (više o ovome možete pronaći u članku “Atomski nivoi energije”). Sada razmotrimo slučaj kada dva ili više takvih atoma su postavljeni bliže jedan drugom. U ovom slučaju, struktura njihovih diskretnih nivoa energije se transformiše u strukturu energetskih zona. To znači da umesto diskretnih nivoa energije, može se naći diskretne energetske zone. Razlog za formiranje takvih energetskih zona u kristalima jeste međusobna interakcija između atoma, koja je rezultat elektromagnetnih sila koje deluju između njih.
Slika 1 pokazuje tipičnu raspodelu takvih energetskih zona. Ovdje, energetska zona 1 može se smatrati analogonom energetskog nivoa E1 izolovanog atoma, a energetska zona 2 analognom nivou E2 i tako dalje.

Ovo je ekvivalentno tome da se elektroni bliži jezgru interaktivnih atoma sastavljaju u energetsku zonu 1, dok oni u odgovarajućim spoljnim orbitama rezultiraju višim energetskim zonama.

U stvarnosti, svaka od ovih zona sastoji se od mnogo energetskih nivoa koji su vrlo blisko raspoređeni.

Iz slike je očigledno da broj energetskih nivoa koji se pojavljuju u određenoj energetskoj zoni raste sa povećanjem promatranog energetskog nivoa, to jest, treća energetska zona je šira od druge, koja je opet šira u poređenju sa prvoj. Zatim, prostor između svake od ovih zona naziva se zabranjena zona ili zona provala (Slika 1). Dalje, svi elektroni prisutni unutar kristala su prisiljeni da budu prisutni u bilo kojoj od energetskih zona. To znači da elektroni ne mogu biti pronađeni u regiji zone provala.

Vrste energetskih zona

Energetske zone u kristalu mogu biti različitih vrsta. Neki od njih bi potpuno mogle biti prazne zbog čega se nazivaju prazne energetske zone, dok bi neki drugi mogli biti potpuno ispunjeni i stoga se nazivaju ispunjene energetske zone. Obično, ispunjene energetske zone će biti niži energetski nivoi koji se nalaze bliže jezgru atoma i nemaju slobodne elektrone, što znači da ne mogu doprineti kondukciji. Postoje i još jedne skupine energetskih zona koje mogu biti kombinacija praznih i ispunjenih energetskih zona, pa se zovu mešovite energetske zone.
Ipak, u oblasti elektronike posebno se interesuje za mehanizam kondukcije. Kao rezultat, ovdje, dve od energetskih zona dobijaju ekstremnu važnost. To su

Zona valentnosti

Ova energetska zona sadrži valentne elektrone (elektrone u najspoljnjoj orbiti atoma) i može biti potpuno ili delimično ispunjena. Na sobnoj temperaturi, ovo je najviša energetska zona koja sadrži elektrone.

Zona kondukcije

Najniža energetska zona koja je obično nepopunjena elektronima na sobnoj temperaturi naziva se zona kondukcije. Ova energetska zona sastoji se od elektrona koji su slobodni od privlačne sile jezgra atoma.
Općenito, zona valentnosti je zona sa nižom energijom u usporedbi sa zonom kondukcije i stoga se nalazi ispod zone kondukcije na dijagramu energetskih zona (Slika 2). Elektroni u zoni valentnosti su slabo vezani za jezgro atoma i prelaze u zonu kondukcije kada materijal dozvoljava pobudu (recimo, termalno).

Važnost energetskih zona

Dobro je poznato da kondukcija kroz materijale dovodi se samo slobodnim elektronima prisutnim u njima. Ovaj čin može se restatirati u terminima teorije energetskih zona kao “elektroni prisutni u zoni kondukcije su jedini koji doprinose mehanizmu kondukcije”. Kao rezultat, materijale može se klasifikovati u različite kategorije gledajući njihov dijagram energetskih zona.
Na primjer, recimo, dijagram energetskih zona pokazuje značajno preklapanje između zone valentnosti i zone kondukcije (Slika 3a), to znači da materijal ima obilje slobodnih elektrona, zbog čega se može smatrati dobro vodilom električne energije, tj. metalom.

Sa druge strane, ako imamo dijagram energetskih zona u kome postoji velika provala između zone valentnosti i zone kondukcije (Slika 3b), to znači da je potrebno dati materijalu veliku količinu energije kako bi se popunila zona kondukcije. Ponekad, ovo može biti teško ili čak praktično nemoguće. To bi ostavilo zonu kondukcije bez elektrona, zbog čega materijal ne bi mogao da vodi. Dakle, takvi materijali bi bili izolatori.
Sada, recimo, da imamo materijal koji pokazuje malo razdvajanje između zone valentnosti i zone kondukcije, kao što pokazuje Slika 3c. U ovom slučaju, može se omogućiti da elektroni u zoni valentnosti zauzmu zonu kondukcije pružanjem male količine energije. To znači da, iako su takvi materijali obično izolatori, mogu se pretvoriti u vodioče spoljašnjom pobudom. Stoga, ti materijali se zovu poluprovodnici.

Izjava: Poštujte original, dobre članke vredni deljenja, ako postoji kršenje autorskih prava molim da kontaktirate za uklanjanje.