Τι είναι η μπάντα αγωγιμότητας

Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις της θεωρίας ζωνών, οι διακρίσεις μεταξύ αγωγών, μονωτών και ημιαγωγών δίνουν μια καλύτερη ιδέα για την ενέργεια και τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν σε ένα υλικό. Η ζώνη αγωγιμότητας είναι μια τόσο σημαντική έννοια που πρέπει να καλυφθεί σχετικά με αυτή τη θεωρία. Η ζώνη αγωγιμότητας μπορεί να οριστεί ως η ζώνη των τροχιακών ηλεκτρονίων που μπορεί να μεταπηδήσει από ένα επίπεδο με χαμηλή ενέργεια σε ένα υψηλό ενεργειακό επίπεδο μόλις διεγερθεί. Όταν υπάρχουν ηλεκτρόνια σε αυτά τα τροχιακά, διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να πλοηγούνται ελεύθερα. Αυτή η μετατόπιση ηλεκτρονίων προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα για να σχηματίσει μια ζώνη αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς.

Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσουμε παρόμοιες πτυχές και θα απαντήσουμε σε μια θεμελιώδη ερώτηση - Τι είναι η ζώνη αγωγιμότητας;

Έννοια της ζώνης αγωγιμότητας

Ας εστιάσουμε τώρα στην ερώτησή μας – Τι είναι η μπάντα αγωγιμότητας;

Η ζώνη αγωγιμότητας αναφέρεται στην ενεργειακή ζώνη που αποτελείται από ελεύθερα ηλεκτρόνια που προορίζονται να κάνουν δυνατή τη διαδικασία αγωγής. Λόγω του ρόλου των ηλεκτρονίων, δεν θα ήταν λάθος να πούμε ότι ο ίδιος σκοπός είναι ο λόγος για τον οποίο έχει αρχικά ονομαστεί ως ζώνη αγωγιμότητας.

Τα ηλεκτρόνια που μετατοπίζονται από τη ζώνη σθένους καθώς βιώνουν εξωτερική δύναμη παρακολουθούν ζώνες υψηλότερης ενέργειας για να υποστηρίξουν την αγωγιμότητα. Η ζώνη αγωγιμότητας βρίσκεται συνήθως πάνω από το επίπεδο υψηλότερης ενεργειακής κατάστασης, γεγονός που καθιστά σημαντικό για τα ηλεκτρόνια να χρειάζονται μεγάλη ποσότητα ενέργειας διέγερσης για να παραμείνουν στη ζώνη αγωγιμότητας.

Παρόμοια με την περίπτωση των αγωγών, η ζώνη αγωγιμότητας και η ζώνη σθένους επικαλύπτονται, γεγονός που κάνει τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στη ζώνη χαμηλότερης ενέργειας να ξεκινούν εύκολη κίνηση προς τη ζώνη αγωγιμότητας. Ωστόσο, στην περίπτωση των ημιαγωγών, υπάρχει επαρκές ενεργειακό κενό μεταξύ των ζωνών αγωγιμότητας και των ζωνών σθένους, το οποίο απαιτεί από τις εξωτερικές ενεργειακές δυνάμεις να αφήσουν ελεύθερα τα ηλεκτρόνια σθένους.

Διαφορά μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους

Η ζώνη αγωγιμότητας και η ζώνη σθένους είναι δύο σημαντικές αλλά διαφορετικές κατηγορίες ενεργειακών επιπέδων που διαφέρουν ανάλογα με την ποσότητα ενέργειας.

Παρακάτω είναι αρκετές σημαντικές διαφορές μεταξύ σθένους και ζώνης αγωγιμότητας –

• Στο επίπεδο ενέργειας, η ζώνη αγωγιμότητας βρίσκεται πάνω από το επίπεδο Fermi στη ζώνη ενέργειας, ενώ η ζώνη σθένους βρίσκεται ακριβώς κάτω από το επίπεδο.
• Η ζώνη σθένους μετακινείται έξω από τα ηλεκτρόνια όταν παρέχεται εξωτερική διέγερση. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια συνήθως προχωρούν προς τη ζώνη αγωγιμότητας λόγω της δύναμης της εξωτερικής ενέργειας.
• Στην περίπτωση της ζώνης σθένους, η πυκνότητα ηλεκτρονίων είναι συγκριτικά υψηλότερη από τη ζώνη αγωγιμότητας.
• Κανονικά, η ζώνη σθένους συνήθως γεμίζει είτε πλήρως είτε εν μέρει σε μια δεδομένη θερμοκρασία δωματίου. Από την άλλη πλευρά, η ζώνη αγωγιμότητας είναι πιθανό να είναι άδεια ή εν μέρει να επαναλαμβάνεται στην ίδια θερμοκρασία δωματίου.
• Η ζώνη αγωγιμότητας έχει συγκριτικά υψηλότερο επίπεδο ενέργειας σε σύγκριση με τη ζώνη σθένους, η οποία έχει σχετικά χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση.
• Στην περίπτωση της ζώνης αγωγιμότητας, ο πυρήνας ενός ατόμου συνήθως ασκεί ελάχιστη δύναμη στα ηλεκτρόνια, κάτι που δεν συμβαίνει με τη ζώνη σθένους. Στην περίπτωση της ζώνης σθένους, ο πυρήνας ενός ατόμου ασκεί τεράστια πίεση στα ηλεκτρόνια.

Ζώνη αγωγιμότητας σε ημιαγωγούς

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ, όταν πρόκειται για ημιαγωγούς, ποια είναι η σημασία μιας ζώνης αγωγιμότητας; Τα παραδείγματα που παρουσιάζονται παρακάτω μπορεί να βοηθήσουν!

Στην περίπτωση των ημιαγωγών, τόσο η ζώνη σθένους όσο και η ζώνη αγωγιμότητας παραμένουν κοντά στο επίπεδο Fermi. Βοηθά στον προσδιορισμό του επιπέδου ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός δεδομένου στερεού υλικού.

Επιπλέον, η ζώνη αγωγιμότητας βρίσκεται πιθανώς στο χαμηλότερο εύρος κενών ηλεκτρονικών καταστάσεων στην περίπτωση των ημιαγωγών και των ηλεκτρικών μονωτών. Εάν αυτή η κατάσταση παρουσιάζεται σε ένα γράφημα της δομής της ηλεκτρονικής ζώνης του δεδομένου υλικού, η ζώνη διακύμανσης θα βρίσκεται πιθανώς κάτω από το επίπεδο Fermi ενώ η ζώνη αγωγιμότητας θα βρίσκεται στην αντίθετη πλευρά.

Για παράδειγμα, εάν ιονίζουμε την ακτινοβολία, το υλικό θα έχει πιθανώς υψηλότερο δυναμικό ως υλικό ηλεκτρονικής συσκευής. Από την άλλη πλευρά, υλικά όπως το διαμάντι και το γερμάνιο θα έχουν πιθανώς μια σημαντική διαφορά στην ενέργεια του κενού ζώνης τους, κάτι που απαιτεί η εγκατάσταση να λειτουργεί σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Συμπέρασμα 

Αναφορικά με τη συζήτηση που κάναμε παραπάνω, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η μπάντα διαγωγής είναι ένα σημαντικό θέμα που πρέπει να καλυφθεί. Όχι μόνο μας βοηθά να κατανοήσουμε τη σημασία διαφόρων πτυχών και εννοιών που σχετίζονται με αυτό, αλλά και τη συνάφειά του όσον αφορά την εφαρμογή σε ημιαγωγούς, αγωγούς και μονωτές.

Ως ταξινόμηση των ενεργειακών επιπέδων που καθορίζονται από μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας, τα ηλεκτρόνια που συγκρατούνται από τις ζώνες αγωγιμότητας είναι οι κύριοι παράγοντες πίσω από πολλά υλικά που διευκολύνουν την αγωγιμότητα. Αυτό παρουσιάζει ένα σενάριο όπου τα δύο πράγματα σχετίζονται και εξαρτώνται το ένα από το άλλο.