Σύμφωνα με τη θεωρία της ενεργειακής ζώνης που δόθηκε από τον Bohr, υπάρχει πάντα μια διακριτή ποσότητα ενέργειας που υπάρχει σε διαφορετικά επίπεδα στο κέλυφος ενός ατόμου. Επιχειρεί επίσης να εξηγήσει τη συνάφεια της θεωρίας ζωνών ενέργειας, η οποία ταξινομεί διαφορετικές κατηγορίες ζωνών ενέργειας σε τρεις κύριες κατηγορίες. Αυτά περιλαμβάνουν – τη ζώνη σθένους, τη ζώνη αγωγιμότητας και την απαγορευμένη ζώνη.

Σε αυτή τη συζήτηση, θα ασχοληθούμε με το θέμα του απαγορευμένου συγκροτήματος και τη σημασία του ανάλογα με το ρόλο που επιτελεί στην αγωγή του ηλεκτρισμού.

Απαγορευμένο κενό

Το απαγορευμένο κενό ενέργειας ή το Απαγορευμένο κενό είναι ένα κενό μεταξύ της «ζώνης αγωγιμότητας» και της «ζώνης σθένους» σε ένα δεδομένο υλικό. Είναι ξεκάθαρο από το ίδιο το όνομα ότι είναι ένα απαγορευμένο συγκρότημα που υπάρχει χωρίς ενέργεια.

Αυτός είναι ο λόγος που δεν υπάρχει ηλεκτρόνιο σε αυτόν τον τύπο ζώνης. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα ηλεκτρόνια σθένους συνήθως διέρχονται από αυτή τη διαδρομή ενώ πλησιάζουν τη ζώνη αγωγιμότητας.

Εάν σε μια δεδομένη περίπτωση, το απαγορευμένο χάσμα είναι μεγαλύτερο, τότε απλώς υπονοεί ότι τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους βρίσκονται κοντά στον πυρήνα. Απαιτείται επιπλέον εξωτερική ενέργεια από τον καιρό για να κρατηθούν και να ωθηθούν τα ηλεκτρόνια έξω από τη δεδομένη ζώνη σθένους. Πρέπει να είναι ίσο με τις μετρήσεις του απαγορευμένου ενεργειακού κενού.

Υλικά όπως αγωγοί, ημιαγωγοί και μονωτές σχηματίζονται ανάλογα με το μέγεθος του απαγορευμένου κενού. Αυτός ο τύπος ενεργειακού χάσματος είναι συνήθως τεράστιος και τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους συνήθως κρατούνται σφιχτά στα άτομα. Ωστόσο, είναι πιθανό να δείξει κάποιο επίπεδο αγωγιμότητας εάν η θερμοκρασία συνεχίσει να αυξάνεται στην περίπτωση μερικών μονωτών.

Intrinsic Semiconductors Band Gap

Τώρα που γνωρίζουμε τι είναι μια απαγορευμένη ζώνη, πρέπει να σημειωθεί ότι τα επίπεδα αγωγιμότητας που δίνονται από εγγενείς ημιαγωγούς εξαρτώνται πάρα πολύ από το δεδομένο διάκενο ζώνης. Σε μια τέτοια κατάσταση, τα ηλεκτρόνια με επαρκή θερμική ενέργεια είναι διαθέσιμα μόνο για να φορτίσουν τις καριέρες που απαιτούνται για να περάσει η αγωγιμότητα στο διάκενο ζώνης.

Υπάρχει ένα μοναδικό χαρακτηριστικό σε κάθε «στερεό υλικό» για μια δομή ενεργειακής ζώνης για διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Αυτή η διαφορά στη δομή της μπάντας οδηγεί σε ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρικών χαρακτηριστικών που παρατηρείται σε διάφορα υλικά. Ωστόσο, στην περίπτωση των μονωτών και των ημιαγωγών, τα ηλεκτρόνια περιορίζονται σε έναν ορισμένο αριθμό ενεργειακών ζωνών που ανήκουν σε άλλες περιοχές που ονομάζονται απαγορευμένη ζώνη. Σε τέτοιες περιπτώσεις, όπως έχουμε ήδη συζητήσει παραπάνω, τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταπηδήσουν γρήγορα από τη μια ζώνη στην άλλη.

Σε κάθε υλικό που έχει χαρακτηριστικά ημιαγωγού, υπάρχει μια ζώνη ενδιάμεσου μεγέθους που τροποποιεί τη συμπεριφορά σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά ενός μονωτή. Ωστόσο, δεν υπάρχει μηδενικό περιεχόμενο στο να επιτρέπεται στα ηλεκτρόνια να διεγείρονται στη ζώνη αγωγιμότητάς τους σε μια δεδομένη θερμοκρασία που συνήθως ρυθμίζεται κάτω από το μέγιστο σημείο τήξης.

Τύποι στερεών ως προς το απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα

Ανάλογα με το υλικό, τα στερεά ζαχαρωτά ταξινομούνται σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες –

• Ημιαγωγοί

Οι ημιαγωγοί είναι υλικά χωρίς μηδενικά κενά ζώνης και ενδιάμεσο μέγεθος. Αυτά τα υλικά συνήθως συμπεριφέρονται ως μονωτές στο πολύ βασικό επίπεδο επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να παράγουν θερμική διέγερση στη ζώνη αγωγιμότητάς τους σε μια δεδομένη θερμοκρασία.

• Δίκτυα αγωγών

Αυτά τα υλικά έχουν μεγάλες δυνατότητες να μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα από το ένα στο άλλο σε ένα δεδομένο υλικό. Δεν υπάρχει απαγορευμένη ζώνη μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, γεγονός που δημιουργεί μια κατάσταση όπου οι δύο ζώνες επικαλύπτονται. Ωστόσο, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε μια δεδομένη θερμοκρασία δωματίου είναι συνήθως μεγάλος σε αυτές τις περιπτώσεις. Μερικά από τα πιο κοινά υλικά αυτής της κατηγορίας περιλαμβάνουν χρυσό, αλουμίνιο, ασήμι και χαλκό, καθώς επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτά.

• Μονωτές

Οι μονωτές είναι υλικά με αέριο μεγάλης ενέργειας, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει αγωγιμότητα λόγω μη μετακίνησης ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Τώρα, δεδομένου ότι δεν υπάρχει κίνηση των ηλεκτρονίων από το ένα άκρο στο άλλο, ο ηλεκτρισμός δεν μπορεί να περάσει μέσα από αυτά τα υλικά καθώς έχουν υψηλή ειδική αντίσταση με σημαντικά χαμηλή αγωγιμότητα. Μερικά από τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα μονωτών περιλαμβάνουν το γυαλί και το ξύλο.

Θεωρία ζώνης στερεών

Η θεωρία ζωνών των στερεών εξηγεί την κβαντική κατάσταση στην οποία λαμβάνουν χώρα τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα μεταλλικό στερεό. Σε μια τέτοια κατάσταση, κάθε μόριο αποτελείται από διαφορετικά διακριτά επίπεδα ενέργειας, κάνοντας τα ηλεκτρόνια να κινούνται μέσα σε ένα μόριο.

• Σύμφωνα με την αρχή αποκλεισμού του Pauli, τα ηλεκτρόνια αποτυγχάνουν με συγκεκριμένες ενεργειακές τροχιές στα άτομα.

• Στην περίπτωση των μορίων, δύο ατομικά τροχιακά ενώνονται για να σχηματίσουν ένα μοριακό τροχιακό που έχει δύο διαφορετικά επίπεδα ενέργειας.

Συμπέρασμα

Με λίγα λόγια, μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι η απαγορευμένη ζώνη είναι μία από τις τρεις κατηγορίες κενών σε ένα δεδομένο υλικό. Αυτός ο συγκεκριμένος τύπος κενού υπάρχει μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, αλλά δεν έχει ποσότητα ενέργειας σε αυτό. Επιπλέον, πρέπει να σημειωθεί ότι κανένα ηλεκτρόνιο δεν μένει ποτέ σε αυτή τη ζώνη. Αντίθετα, περνούν από αυτό το πέρασμα ενώ πλησιάζουν τη ζώνη αγωγιμότητας.

Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους διατηρούνται συνήθως σφιχτά προς τον πυρήνα σε περίπτωση που το απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα είναι μεγαλύτερο. Έτσι, τα ηλεκτρόνια χρειάζονται πάντα κάποια επιπλέον ποσότητα εξωτερικής ενέργειας για να τεθούν εκτός της ζώνης σθένους και να παραμείνουν ίσα με το απαγορευμένο ενεργειακό αέριο.