Kristallerde Enerji Bölgeleri

Neil Bohr'ın atomik yapı teorisine göre, tüm atomlar merkezi çekirdeğin etrafında ayrık enerji seviyelerine sahip bulunur (bu konuda daha fazla bilgi için “Atomik Enerji Seviyeleri” makalesini inceleyebilirsiniz). Şimdi, iki veya daha fazla böyle atomun birbirine yakın yerleştirildiği durumu düşünün. Bu durumda, ayrık enerji seviyelerinin yapısı enerji bandı yapısına dönüşür. Yani, ayrık enerji seviyeleri yerine ayrık enerji bandları bulunabilir. Bu tür kristallerdeki enerji bandlarının oluşmasının nedeni, aralarındaki elektromanyetik kuvvetler sonucunda oluşan atoma arası karşılıklı etkileşimdir.
Şekil 1, bu tür enerji bandlarının tipik bir düzenlemesini göstermektedir. Burada, enerji bandı 1, izole bir atomun enerji seviyesi E1’e benzer düşünebilir ve enerji bandı 2 ise E2 seviyesine benzer şekilde devam eder.

Bu, etkileşen atomların çekirdeğine yakın olan elektronların enerji bandı 1'i oluşturduğunu, dış orbitlerindeki elektronların ise daha yüksek enerji bandlarına neden olduğunu ifade etmekle eşdeğerdir.

Gerçekte, her bir bu band çok yakın aralıklarla birçok enerji seviyesi içerir.

Şekilden, belirli bir enerji bandında ortaya çıkan enerji seviyelerinin sayısının, göz önünde bulundurulan enerji bandının artmasıyla arttığı açıktır. Yani, üçüncü enerji bandı, ikinci enerji bandından daha geniş olup, ilk band ile karşılaştırıldığında daha geniş görülmektedir. Sonraki, bu bandların arasındaki alan yasak band veya band boşluğu olarak adlandırılır (Şekil 1). Ayrıca, kristal içinde bulunan tüm elektronların herhangi bir enerji bandında bulunması gerekmektedir. Bu da demektir ki, elektronlar enerji band boşluğu bölgesinde bulunamaz.

Enerji Bandı Türleri

Kristallerdeki enerji bandları çeşitli tipte olabilir. Bunlardan bazıları tamamen boş olduğundan dolayı boş enerji bandları, bazıları ise tamamen dolu olup, doldurulmuş enerji bandları olarak adlandırılır. Genellikle, doldurulmuş enerji bandları, atomun çekirdeğine yakın olan düşük enerji seviyeleridir ve serbest elektronu olmadığından iletkenlik sağlayamaz. Ayrıca, boş ve doldurulmuş enerji bandlarının bir kombinasyonu olan karışık enerji bandları da bulunmaktadır.
Elektronik alanında, iletken mekanizmasına özel bir ilgi duyulmaktadır. Bu nedenle, burada, iki enerji bandı son derece önemlidir. Bunlar

Valans Bandı

Bu enerji bandı, valans elektronlarını (bir atomun en dıştaki yörüngesindeki elektronları) içerir ve tamamen veya kısmen doldurulabilir. Oda sıcaklığında, bu, elektronları içeren en yüksek enerji bandıdır.

İletkenlik Bandı

Oda sıcaklığında genellikle elektronlar tarafından işgal edilmeyen en düşük enerji bandı iletim bandı olarak adlandırılır. Bu enerji bandı, atomun çekirdeğinin çekim kuvvetinden serbest olan elektronları içerir.
Genel olarak, valans bandı, iletim bandı ile karşılaştırıldığında daha düşük enerjili bir banddır ve bu nedenle enerji bandı diyagramında iletim bandının altında bulunur (Şekil 2). Valans bandındaki elektronlar, atomun çekirdeğine zayıf bağlıdır ve malzeme uyarıldığında (örneğin, termal olarak) iletim bandına geçer.

Enerji Bandlarının Önemi

Malzemelerin iletkenliğinin sadece onların içinde bulunan serbest elektronlar tarafından sağlandığı bilinmektedir. Bu gerçeği, enerji bandı teorisi açısından şu şekilde ifade edebiliriz: “İletkenlik bandında bulunan elektronlar, iletkenlik mekanizmasına katkıda bulunan tek elektronlardır.” Bu nedenle, bir malzemenin enerji bandı diyagramını incelerken, malzemeleri farklı kategorilere ayırabiliriz.
Mesela, enerji bandı diyagramı, valans bandı ile iletim bandı arasında önemli bir çakışma gösteriyorsa (Şekil 3a), bu, malzemenin bol miktarda serbest elektronu olduğunu ve bu nedenle iyi bir iletken olduğu anlamına gelir, yani bir metaldir.

Diğer taraftan, eğer elimizde valans bandı ile iletim bandı arasında büyük bir boşluk olan bir enerji bandı diyagramı varsa (Şekil 3b), bu, malzemeye büyük miktarda enerji vermemiz gerektiği anlamına gelir ki, bu bazen zorlu veya hatta pratikte imkansız olabilir. Bu, iletim bandını boş bırakarak malzemenin iletken olmamasına neden olur. Bu tür malzemeler yalıtıcı olacaktır.
Şimdi, valans bandı ile iletim bandı arasında küçük bir boşluk olan bir malzeme düşünelim (Şekil 3c). Bu durumda, valans bandındaki elektronları slight amount of energy iletim bandına getirmek için küçük bir miktar enerji vererek yapabiliriz. Bu, bu tür malzemelerin genellikle yalıtkancı olmakla birlikte, dışarıdan uyarıldıklarında iletken hale getirilebileceği anlamına gelir. Bu nedenle, bu malzemeler yarıiletken olarak adlandırılır.

Bildirim: Orijinali saygıya değer, iyi makaleler paylaşılabilir, ayrıcalık varsa lütfen silme isteği ile iletişime geçiniz.