วงจรคริสตัลในวงจรพลังงาน

ตามทฤษฎีโครงสร้างอะตอมของนีล โบห์ร พบว่าอะตอมทั้งหมดมีระดับพลังงานที่แยกจากกันรอบแกนกลาง (สามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ในบทความ “ระดับพลังงานอะตอม”) ขณะนี้พิจารณากรณีที่มีสองหรือมากกว่าอะตอมถูกวางใกล้กัน ในกรณีนี้โครงสร้างของระดับพลังงานที่แยกจากกันจะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างวงแหวนพลังงาน กล่าวคือแทนที่จะเป็นระดับพลังงานที่แยกจากกัน จะมีวงแหวนพลังงานที่แยกจากกัน การเกิดวงแหวนพลังงานในผลึกนี้เป็นผลมาจากปฏิกิริยาซึ่งกันและกันระหว่างอะตอม ซึ่งเป็นผลมาจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำระหว่างกัน
รูปที่ 1 แสดงการจัดเรียงวงแหวนพลังงานแบบปกติ ที่นี่วงแหวนพลังงานที่ 1 สามารถคิดได้ว่าคล้ายกับระดับพลังงาน E1 ของอะตอมที่แยกอยู่ และวงแหวนพลังงานที่ 2 คล้ายกับระดับ E2 และอื่น ๆ ไปเรื่อย ๆ

นี่เทียบเท่ากับการกล่าวว่าอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมที่มีปฏิกิริยาซึ่งกันและกันจะประกอบเป็นวงแหวนพลังงานที่ 1 ในขณะที่อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกจะสร้างวงแหวนพลังงานที่สูงขึ้น

ในความเป็นจริง แต่ละวงแหวนพลังงานนี้ประกอบด้วยระดับพลังงานหลายระดับที่อยู่ใกล้กันมาก

จากรูป ชัดเจนว่าจำนวนระดับพลังงานที่ปรากฏในวงแหวนพลังงานเฉพาะจะเพิ่มขึ้นเมื่อวงแหวนพลังงานที่พิจารณามีขนาดใหญ่ขึ้น กล่าวคือ วงแหวนพลังงานที่สามกว้างกว่าวงแหวนพลังงานที่สอง ซึ่งกว้างกว่าวงแหวนพลังงานที่หนึ่ง ต่อไป ช่องว่างระหว่างวงแหวนพลังงานเหล่านี้เรียกว่าวงแหวนที่ห้ามหรือช่องว่างระหว่างวงแหวน (รูปที่ 1) นอกจากนี้ อิเล็กตรอนทั้งหมดที่อยู่ภายในผลึกจะถูกบังคับให้อยู่ในวงแหวนพลังงานใดวงแหวนพลังงานหนึ่ง นั่นหมายความว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในช่องว่างระหว่างวงแหวนพลังงานได้

ประเภทของวงแหวนพลังงาน

วงแหวนพลังงานในผลึก อาจมีหลากหลายประเภท บางวงแหวนพลังงานอาจว่างเปล่าทั้งหมด ซึ่งเรียกว่าวงแหวนพลังงานว่างเปล่า ในขณะที่บางวงแหวนพลังงานอาจเต็มทั้งหมดและเรียกว่าวงแหวนพลังงานเต็ม ทั่วไปแล้ววงแหวนพลังงานที่เต็มจะเป็นระดับพลังงานที่ต่ำซึ่งอยู่ใกล้นิวเคลียสของอะตอมและไม่มีอิเล็กตรอนเสรี หมายความว่าพวกมันไม่สามารถนำพากระแสไฟฟ้าได้ นอกจากนี้ยังมีวงแหวนพลังงานอีกประเภทหนึ่งที่อาจเป็นการผสมผสานระหว่างวงแหวนพลังงานว่างเปล่าและวงแหวนพลังงานเต็ม เรียกว่าวงแหวนพลังงานผสม
อย่างไรก็ตาม ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ มักสนใจในกลไกการนำพากระแสไฟฟ้า ดังนั้น ที่นี่ วงแหวนพลังงานสองวงแหวนได้รับความสำคัญมาก คือ

วงแหวนพลังงานวาเลนซ์

วงแหวนพลังงานนี้ประกอบด้วยอิเล็กตรอนวาเลนซ์ (อิเล็กตรอนในวงโคจรที่อยู่นอกสุดของอะตอม) และอาจเต็มหรือไม่เต็ม ที่อุณหภูมิห้อง นี่คือวงแหวนพลังงานที่สูงที่สุดที่มีอิเล็กตรอน

วงแหวนพลังงานนำพา

วงแหวนพลังงานที่ต่ำที่สุดวงแหวนพลังงานที่โดยทั่วไปไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ที่อุณหภูมิห้องเรียกว่าวงแหวนพลังงานนำพา วงแหวนพลังงานนี้ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับแรงดึงดูดจากนิวเคลียสของอะตอม
โดยทั่วไป วงแหวนพลังงานวาเลนซ์เป็นวงแหวนพลังงานที่มีพลังงานต่ำกว่าวงแหวนพลังงานนำพา และพบว่าอยู่ใต้วงแหวนพลังงานนำพาในแผนภาพวงแหวนพลังงาน (รูปที่ 2) อิเล็กตรอนในวงแหวนพลังงานวาเลนซ์มีความผูกพันกับนิวเคลียสของอะตอมอย่างหลวม ๆ และจะกระโดดเข้าไปในวงแหวนพลังงานนำพาเมื่อวัสดุถูกกระตุ้น (เช่น ความร้อน)

ความสำคัญของวงแหวนพลังงาน

เป็นที่ทราบกันดีว่าการนำพากระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุเกิดขึ้นโดยอิเล็กตรอนเสรีที่มีอยู่ในวัสดุ ข้อเท็จจริงนี้สามารถกล่าวใหม่ในแง่ของทฤษฎีวงแหวนพลังงานว่า “อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงแหวนพลังงานนำพาเป็นอิเล็กตรอนที่มีบทบาทในการนำพากระแสไฟฟ้า” ดังนั้น สามารถจำแนกวัสดุออกเป็นหมวดหมู่ต่าง ๆ โดยดูจากแผนภาพวงแหวนพลังงาน
ตัวอย่างเช่น ถ้าแผนภาพวงแหวนพลังงานแสดงการทับซ้อนกันอย่างมากระหว่างวงแหวนพลังงานวาเลนซ์และวงแหวนพลังงานนำพา (รูปที่ 3a) หมายความว่าวัสดุมีอิเล็กตรอนเสรีอยู่มากมาย ทำให้วัสดุนั้นเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี หรือโลหะ

ในทางตรงกันข้าม ถ้าเรามีแผนภาพวงแหวนพลังงานที่มีช่องว่างระหว่างวงแหวนพลังงานวาเลนซ์และวงแหวนพลังงานนำพาที่ใหญ่มาก (รูปที่ 3b) หมายความว่าเราต้องให้พลังงานจำนวนมากเพื่อให้วงแหวนพลังงานนำพาเต็ม ในบางครั้งอาจยากหรือไม่สามารถทำได้จริง ซึ่งจะทำให้วงแหวนพลังงานนำพาไม่มีอิเล็กตรอน และวัสดุจะไม่สามารถนำพากระแสไฟฟ้าได้ ดังนั้น วัสดุประเภทนี้จะเป็นฉนวนไฟฟ้า
ตอนนี้ สมมติว่าเรามีวัสดุที่แสดงการแยกต่างหากเล็กน้อยระหว่างวงแหวนพลังงานวาเลนซ์และวงแหวนพลังงานนำพา ตามที่แสดงในรูปที่ 3c ในกรณีนี้ เราสามารถทำให้อิเล็กตรอนในวงแหวนพลังงานวาเลนซ์เข้าไปอยู่ในวงแหวนพลังงานนำพาโดยให้พลังงานเล็กน้อย หมายความว่าแม้ว่าวัสดุเหล่านี้โดยทั่วไปจะเป็นฉนวนไฟฟ้า แต่สามารถแปลงเป็นตัวนำไฟฟ้าได้โดยการกระตุ้นภายนอก ดังนั้น วัสดุเหล่านี้จะเรียกว่าสารกึ่งตัวนำ

คำแถลง: เคารพ ต้นฉบับ บทความที่ดีควรแบ่งปัน หากมีการละเมิดสิทธิ์โปรดติดต่อลบ