Energiaband i kristaller

Enligt Neil Bohrs teori om atomstruktur har alla atomer diskreta energinivåer runt sitt centrala kärnrum (mer om detta kan hittas i artikeln “Atomic Energy Levels”). Nu överväg fallet där två eller flera sådana atomer placeras nära varandra. I detta fall förvandlas strukturen av deras diskreta energinivåer till en energibandstruktur. Det vill säga, istället för diskreta energinivåer kan man hitta diskreta energibänder. Anledningen till bildandet av sådana energibanden i kristaller är den gemensamma interaktionen mellan atomerna, vilket är resultatet av elektromagnetiska krafter som verkar mellan dem.
Bild 1 visar ett typiskt arrangemang av sådana energibanden. Här kan energiband 1 tänkas vara analogt med energinivån E1 av en isolerad atom och energiband 2 till nivån E2 och så vidare.

Detta motsvarar att säga att elektronerna närmare kärnan av de interagerande atomerna utgör energiband 1, medan de i deras motsvarande yttre banor resulterar i högre energibanden.

I verkligheten utgör varje av dessa band flera energinivåer som ligger mycket nära varandra.

Av figuren framgår det att antalet energinivåer som dyker upp i ett visst energiband ökar med ökande energiband, det vill säga, det tredje energibandet är bredare än det andra, vilket dock ses som bredare jämfört med det första. Sedan kallas utrymmet mellan varje av dessa band för förbjudet band eller bandgap (Bild 1). Vidare tvingas alla elektroner inom kristallen att finnas i något av energibandena. Detta innebär att elektronerna inte kan hittas i energibandgap-regionen.

Typer av Energiband

Energibanden i en kristall kan vara av olika typer. Några av dem skulle vara helt tomma, vilket gör att de kallas tomma energiband, medan fler skulle vara helt fyllda och därför benämns fyllda energiband. Vanligtvis kommer de fyllda energiband att vara de lägre energinivåerna som ligger nära kärnan av atomen och har inga fria elektroner, vilket betyder att de inte kan bidra till ledning. Det finns också ytterligare en uppsättning energiband som kan vara en kombination av tomma och fyllda energiband, kallade blandade energiband.
Trots allt är man i elektroniken särskilt intresserad av ledningsmekanismen. Därför får två av energiband herefter extrem vikt. Dessa är

Valensband

Detta energiband består av valenselektroner (elektroner i den yttre bana av en atom) och kan antingen vara helt eller delvis fyllt. Vid rumstemperatur är detta det högsta energibandet som består av elektroner.

Ledningsband

Det lägsta energibandet som vanligtvis inte är befolkat av elektroner vid rumstemperatur kallas ledningsband. Detta energiband består av elektroner som är fria från den attraktiva kraften av atomens kärna.
I allmänhet är valensbandet ett band med lägre energi jämfört med ledningsbandet och därför hittas det under ledningsbandet i energibanddiagrammet (Bild 2). Elektronerna i valensbandet är löst bundna till atomens kärna och hoppar till ledningsbandet när materialet upphettas (t.ex. termiskt).

Betydelsen av Energiband

Det är välkänt att ledningen genom materialen åstadkommes endast av de fria elektronerna i dem. Detta faktum kan formuleras om i termer av energibandteorin som "de elektroner som finns i ledningsbandet är de enda som bidrar till ledningsmekanismen". Som ett resultat kan man klassificera material i olika kategorier genom att titta på deras energibanddiagram.
För att ta ett exempel, säg att energibanddiagrammet visar en betydande överlappning mellan valens- och ledningsbanden (Bild 3a), då betyder det att materialet har många fria elektroner, vilket gör att det kan anses vara en bra ledare av el, dvs. en metall.

Å andra sidan, om vi har ett energiband-diagram där det finns en stor gap mellan valens- och ledningsbanden (Bild 3b), betyder det att man behöver ge materialet en stor mängd energi för att få ett fyllt ledningsband. Ibland kan detta vara svårt eller ibland rentav praktiskt omöjligt. Detta skulle lämna ledningsbandet utan elektroner, vilket gör att materialet inte kan leda. Sådana material skulle vara isolatorer.
Nu, låt oss säga att vi har ett material som visar en liten separation mellan valens- och ledningsbanden som visas i Bild 3c. I detta fall kan man få elektronerna i valensbandet att ta plats i ledningsbandet genom att ge dem en liten mängd energi. Detta betyder att även om sådana material vanligtvis är isolatorer, kan de konverteras till att agera som ledare genom att upphetta dem extern. Därför kallas dessa material halvledare.

Uttryck: Respektera det ursprungliga, bra artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsintrång kontakta för att ta bort.