Valence band, provodni pojas i razmak između pojasa objašnjavaju kako materijali nose električnu energiju. Oni pokazuju zašto provodnici omogućavaju da struja teče lako, zašto izolatori odupiru i zašto se poluprovodnici mogu kontrolisati. Ove ideje takođe objašnjavaju kretanje elektrona, formiranje rupa i efekte toplote, svetlosti i dopinga na provodljivost. Ovaj članak daje informacije o ovim osnovnim odnosima.
Uloga prostora između bendova
Prostor između valentnog pojasa i provodnog pojasa naziva se pojasni jaz. Pomaže da se objasni kako se čvrsti materijali ponašaju kada se primenjuje električna energija. Ovaj jaz pokazuje koliko energije elektroni treba pre nego što mogu slobodno da se kreću i prenose struju kroz materijal.
Veličina ovog jaza utiče na to da li materijal deluje kao provodnik, izolator ili poluprovodnik. Mali jaz olakšava kretanje elektrona, dok veliki jaz otežava. Zbog toga je jaz u opsegu važan u elektronici, fizici poluprovodnika, senzorima, uređajima na bazi svetlosti i klasifikaciji materijala.
Razmak između energetskih opsega
Valenčni opseg je najviši energetski pojas koji je normalno ispunjen elektronima. Provodni pojas je energetski pojas u kojem se elektroni mogu slobodnije kretati kroz materijal. Između njih je jaz između benda, koji se naziva i energetski jaz ili zabranjeni jaz.
Razmak u bendu nije fizički prazan prostor unutar materijala. To je energetski opseg u kojem elektroni ne mogu postojati, tako da elektron mora dobiti dovoljno energije da pređe iz valentnog pojasa u provodni pojas.
Veličina razmaka snažno utiče na to kako se materijal ponaša električno. Pomaže u određivanju koliko lako elektroni mogu da se kreću i da li struja može da teče lako, slabo ili samo pod određenim uslovima.
Kretanje elektrona preko pojasnog jaza
Energija potrebna za uzbudu elektrona
Kretanje elektrona zavisi od količine energije potrebne za prelazak pojasa. Manji jaz omogućava ovu tranziciju lakše, dok veći jaz zahteva više energije. Ovo snažno utiče na to koliko lako materijal može da podrži električnu provodljivost.
Formiranje elektrona i rupa
Kada elektron pređe u provodni pojas, ostavlja za sobom rupu u valentnom pojasu. I slobodni elektron i rupa pomažu u nošenju naboja kroz materijal.
Band Gap Razlike u materijalima
Provodnici
Provodnici omogućavaju elektronima da se kreću vrlo lako, jer se valentni pojas i provodni pojas preklapaju ili leže izuzetno blizu jedan drugom. Kao rezultat toga, elektroni se mogu kretati sa malim otporom, tako da električna struja lako teče kroz materijal.
Poluprovodnici
Poluprovodnici imaju umeren pojasni jaz. To znači da elektronima treba nešto energije da dođu do provodnog pojasa, ali ne previše. Zbog toga, njihova sposobnost da nose struju može se kontrolisati lakše nego u provodnicima ili izolatorima.
izolatori
Izolatori imaju veliki pojasni jaz, tako da elektroni treba mnogo više energije da se kreću u provodni pojas. To otežava kretanje elektrona u normalnim uslovima i uveliko ograničava protok struje.
Faktori koji utiču na ponašanje benda
Efekat temperature
Kako se temperatura povećava, više elektrona dobija toplotnu energiju. Ovo povećava šansu da će preći jaz u pojasu i ući u provodni pojas. U poluprovodnicima, ovo obično povećava provodljivost.
Light Ekscitacija
Svetlost takođe može da obezbedi energiju potrebnu za kretanje elektrona preko pojasnog jaza. Kada je svetlosna energija dovoljno visoka, elektroni mogu skočiti na provodni pojas i ostaviti rupe iza sebe u valentnom pojasu. Ovo menja način na koji materijal sprovodi struju.
Doping efekat
Doping menja materijal dodavanjem malih količina atoma nečistoće. Ovi atomi stvaraju dodatne nivoe energije u blizini valentnog pojasa ili provodnog pojasa. Kao rezultat toga, potrebno je manje energije za elektrone ili rupe da učestvuju u provođenju, što provodljivost lakše kontroliše.
Načini razumevanja ponašanja benda
Pravilo izbora materijala
• Koristite provodnike kada je potreban lak protok struje
• Koristite izolatore kada struja treba da bude blokirana
• Koristite poluprovodnike kada je potrebno kontrolisati provodljivost
Pravilo tumačenja uređaja
• Diode zavise od kontrolisanog kretanja naboja
• Tranzistori se oslanjaju na ponašanje poluprovodnika
• Solarne ćelije koriste pobuđivanje elektrona na svetlost
• Senzori često zavise od promena u provodljivosti
Uobičajene greške u teoriji bendova
Tretiranje band jaza kao fizičkog prostora
Jaz u bendu nije stvarni prazan prostor unutar materijala. To je energetski opseg u kojem elektroni normalno ne mogu postojati. Razumevanje ove razlike pomaže u sprečavanju konfuzije prilikom objašnjavanja kako se elektroni kreću između energetskih opsega.
Ignorisanje provođenja rupa
U poluprovodnicima, električna provodljivost često uključuje i elektrone i rupe. Fokusiranje samo na elektrone daje nepotpun pogled na to kako se naboj kreće kroz materijal.
Ponavljanje definicija prečesto
Valenčni pojas, provodni pojas i razmak između pojasa treba jednom jasno definisati. Nakon toga, diskusija bi trebalo da krene napred objašnjavajući odnose, efekte i značenje umesto ponavljanja istih definicija.
Nedostaje veza sa materijalnim ponašanjem
Električno ponašanje materijala uvek treba da bude povezano sa njegovom strukturom trake. Provodnici, poluprovodnici i izolatori se razlikuju zbog preklapanja opsega ili veličine pojasa, a ova veza treba da ostane jasna tokom objašnjenja.
Zaključak
Valencija opseg, provodni pojas, i pojas jaz su usko povezani sa električnim ponašanjem. Oni objašnjavaju kako se elektroni kreću, zašto su i rupe bitne i zašto se provodnici, poluprovodnici i izolatori ponašaju drugačije. Oni takođe pokazuju kako toplota, svetlost i doping mogu da promene provodljivost. Ove ideje olakšavaju razumevanje kretanja naboja, materijalnog ponašanja i radne osnove mnogih elektronskih i svetlosnih uređaja u stvarnoj upotrebi.
Često postavljana pitanja [FAK]
Šta daje elektronima dovoljno energije da se kreću u provodni opseg?
Toplota, svetlost ili druga spoljna energija može dati elektronima dovoljno energije da pređu pojasni jaz i pređu u provodni pojas.
Zašto su poluprovodnici korisni u elektronici?
Poluprovodnici su korisni jer se njihova provodljivost može kontrolisati lakše nego kod provodnika ili izolatora.
Šta se dešava kada postoji mali ili nikakav razmak u opsegu?
Elektroni se mogu lakše kretati, tako da materijal lakše sprovodi električnu energiju.
Zašto je teorija benda važna?
Teorija bendova pomaže da se objasni zašto različiti materijali različito provode električnu energiju.
Može li se provodljivost promeniti bez promene samog materijala?
Da. Temperatura, svetlost ili drugi spoljni uslovi mogu promeniti koliko se lako elektroni kreću u materijalu.
Zašto je struktura benda bitna u praksi?
Struktura benda pomaže objasniti da li će materijal omogućiti struju da teče lako, slabo ili samo pod određenim uslovima.
