Valence Band and Conduction Band

Η ζώνη σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας είναι σημαντικά θέματα καθώς καθορίζουν την αγωγιμότητα ενός δεδομένου υλικού. Αυτά μπορούν να θεωρηθούν ως δύο διαφορετικοί τύποι ενεργειακών επιπέδων που διατηρούνται χωριστά από την ίδια ποσότητα ενέργειας. Θα μας βοηθήσει να διαφοροποιήσουμε μεταξύ των δύο και να ανακαλύψουμε τη συνάφειά τους με τη θεωρία ζωνών των στερεών.

Στην παρακάτω συζήτηση, θα εξετάσουμε λεπτομερώς τις δύο έννοιες και θα εξετάσουμε τις διάφορες πτυχές τους. Θα εξετάσουμε επίσης μερικές από τις πιο εμφανείς διαφορές μεταξύ των δύο εννοιών και πώς αναπαρίστανται γραφικά όταν απαιτείται.

Έννοια της ζώνης αγωγιμότητας

Οποιαδήποτε ζώνη τροχιακών ηλεκτρονίων όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν να αλλάξουν από τη ζώνη σθένους μόλις πάρουν ενέργεια ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας. Όποτε αυτά τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στα τροχιακά τους, δείχνει ότι το δεδομένο υλικό έχει επαρκή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Αυτή η μετατόπιση που γίνεται από τα ηλεκτρόνια επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσα από το υλικό. Σε μια τέτοια κατάσταση, η ζώνη σθένους γίνεται τροχιακό ηλεκτρονίων που βρίσκεται μακριά από το σημείο όπου συνήθως εμπλέκονται τα ηλεκτρόνια. Η ζώνη αγωγιμότητας και η ζώνη σθένους φαίνεται να επικαλύπτονται μεταξύ τους στην περίπτωση των μετάλλων που επιτρέπουν στο ηλεκτρόνιο να μετατοπίζεται συχνά μεταξύ των δύο ομάδων, γεγονός που δίνει στο υλικό αρκετή αγωγιμότητα.

Έννοια της ζώνης Valence

Η ζώνη σθένους αναφέρεται στη ζώνη των τροχιακών ηλεκτρονίων με την ικανότητα να πηδούν έξω από τη ζώνη αγωγιμότητας μόλις διεγερθούν. Είναι αναμφίβολα το πιο εξωτερικό τροχιακό ηλεκτρονίων οποιουδήποτε ατόμου συγκεκριμένου αντικειμένου που καταλαμβάνεται από ηλεκτρόνια, το οποίο συνδέεται στενά με τη ζώνη σθένους.

Παρόμοια με την έννοια της ζώνης αγωγιμότητας, το διάκενο ζώνης υπάρχει ως η ετήσια διαφορά μεταξύ της χαμηλότερης καταλαμβανόμενης ενεργειακής κατάστασης και της υψηλότερης. Η παρουσία ενός μεγάλου κενού ζώνης υποδηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια σθένους θα χρειαστούν πολλή ενέργεια για να διεγερθούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρόνια μπορούν εύκολα να αλλάξουν μεταξύ δύο δεδομένων ζωνών όταν η ζώνη αγωγιμότητας και η ζώνη σθένους επικαλύπτονται, υπονοώντας ότι το υλικό έχει ιδιότητες υψηλής αγωγιμότητας.

Επιπλέον, οι μονωτές έχουν συνήθως ένα μεγάλο διάκενο ζώνης που χρησιμοποιούν ότι τα ηλεκτρόνια θα χρειάζονταν μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να μετακινηθούν έξω από τη ζώνη σθένους για να δημιουργήσουν ηλεκτρονικό ρεύμα. Από την άλλη πλευρά, στην περίπτωση των ημιαγωγών, υπάρχει ένα σχετικά μικρότερο διάκενο ζώνης που επιτρέπει σε περισσότερα κλάσματα ηλεκτρονίων σθένους που ανήκουν στο υλικό να μετατοπιστούν στη ζώνη αγωγιμότητας λαμβάνοντας υπόψη τη δεδομένη ποσότητα ενέργειας.

Αυτό το χαρακτηριστικό διευκολύνει μια ιδιότητα αγωγιμότητας μεταξύ μονωτών και αγωγών, που είναι ένας σημαντικός λόγος για τον οποίο δεν υπάρχει βραχυκύκλωμα που προκύπτει στην περίπτωση αυτών των υλικών. Το υπάρχον διάκενο ζώνης διευκολύνει επίσης τους ημιαγωγούς να μετατρέψουν μια μορφή ενέργειας σε άλλη και να απελευθερώσουν το φως το ίδιο με το LED όταν συνδυάζονται με μια συγκεκριμένη κατηγορία διόδων.

Και τα δύο φαινόμενα εξαρτώνται από την ενέργεια που απελευθερώνεται ή απορροφάται από τα ηλεκτρόνια που δείχνουν κίνηση μεταξύ των ζωνών σθένους και της αγωγιμότητας. Μερικά σχετικά παραδείγματα ζώνης σθένους περιλαμβάνουν άτομα πυριτίου που αποτελούνται από 4 ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους και φώσφορο με 5 τέτοια ηλεκτρόνια.

Διαφορά μεταξύ ζώνης σθένους και ζώνης αγωγιμότητας

Μερικές από τις αξιοσημείωτες διαφορές μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας δίνονται ως εξής:

• Τοποθέτηση στο γράφημα 

Όταν αυτές οι ζώνες παρουσιάζονται με τη μορφή γραφήματος, η ζώνη αγωγιμότητας βρίσκεται πάνω από το επίπεδο Fermi. Από την άλλη πλευρά, η ζώνη σθένους βρίσκεται κάτω από το συγκεκριμένο επίπεδο ενέργειας.

• Χρησιμοποιήθηκε η συντομογραφία

Η ζώνη σθένους αντιπροσωπεύεται από VB, ενώ η ζώνη αγωγιμότητας αντιπροσωπεύεται από CB.

• Επίδραση του εξωτερικού ενθουσιασμού

Στην περίπτωση των ζωνών σθένους, μετακινούνται έξω ενώ φτάνουν στη ζώνη αγωγιμότητας στην άλλη περίπτωση.

• Επίδραση της παρουσίας ηλεκτρονίων

Τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στη ζώνη σθένους είναι μερικώς ή πλήρως γεμάτα. Ωστόσο, στην περίπτωση των ζωνών αγωγιμότητας, τα ηλεκτρόνια είναι είτε μερικώς γεμάτα είτε άδεια.

• Ενεργειακή κατάσταση

Η κατάσταση ενέργειας στις ζώνες σθένους είναι συγκριτικά χαμηλότερη από τη ζώνη αγωγιμότητας, η οποία έχει σχετικά υψηλότερο επίπεδο ενεργειακής κατάστασης.

• Πυκνότητα ηλεκτρονίων

Η πυκνότητα ηλεκτρονίων είναι συγκριτικά υψηλότερη στην περίπτωση της ζώνης σθένους από ότι στη ζώνη αγωγιμότητας.

Συμπέρασμα 

Από την παραπάνω συζήτηση, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η ζώνη σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες. Με λίγα λόγια, μπορούμε επίσης να συμπεράνουμε ότι η ζώνη σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας είναι δύο σημαντικές κατηγορίες ενεργειακών επιπέδων. Αυτά διαφοροποιούνται από ένα ορισμένο ποσό ενέργειας που απαιτείται για να κρατήσει τα ηλεκτρόνια να κινούνται από τη μια τροχιά στην άλλη. Υπάρχουν επίσης αρκετές διαφορές μεταξύ των δύο εννοιών καθώς διαφέρουν για διάφορους λόγους.

Η βασική διαφορά μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας είναι ότι η πρώτη αποτελείται από ηλεκτρόνια που τοποθετούνται στο εξωτερικό κέλυφος του ατόμου. Από την άλλη πλευρά, το τελευταίο αποτελείται από ελεύθερα ηλεκτρόνια που συμμετέχουν στη διαδικασία της αγωγής.

Υλικά όπως μονωτές, αγωγοί και ημιαγωγοί διαφέρουν επίσης βάσει πολλών λόγων όσον αφορά την ενέργεια που υπάρχει μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους.