Yarı İletkenlerde Enerji Seviyeleri ve Bant Yapıları

Bilindiği gibi elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli dönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir. Hareket halindeki elektron, şu iki kuvvetin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır:

Çekirdeğin çekme kuvveti
Dönme hareketi ile oluşan merkezcil kuvvet.

Enerji Seviyeleri
Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir enerjiye sahiptir.Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer.Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk eder.Yukarıda belirtildiği gibi valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir.

Valans elektronlara enerji veren etkenler:

Elektriksel etki
Isı etkisi
Işık etkisi
Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi
Manyetik etki

Ancak, valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde yapısına göre şöyle değişmektedir:

İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir.
Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir.
Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir.
 

Bant Yapıları
Maddelerin iletkenlik dereceleri, en iyi şekilde, aşağıda açıklandığı gibi, bant enerjileri ile tanımlanır.

Valans bandı enerji seviyesi:
Şekil 2.1 'de görüldüğü gibi her maddenin, valans elektronlarının belirli bir enerji seviyesi vardır. Buna valans bandı enerjisi denmektedir.

İletkenlik bandı enerji seviyesi:
Valans elektronu atomdan ayırabilmek için verilmesi gereken bir enerji vardır. Bu enerji, iletkenlik bandı enerjisi olarak tanımlanır.

İletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji:
İletkenlerin, Şekil 2.1.(a) 'da görüldüğü gibi, valans bandı enerji seviyesi ile iletkenlik bandı enerji seviyesi bitişiktir. Bu nedenle verilen küçük bir enerjiyle, pek çok valans elektron serbest hale geçer.

Yarı iletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji:
Yarı iletkenlerin valans bandı ile iletkenlik bandı arasında Şekil 2.1.(b) 'de görüldüğü gibi belirli bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yarı iletkeni, iletken hale geçirebilmek için valans elektronlarına, boşluk bandınınki kadar ek enerji vermek gerekir.

Yalıtkanlarda iletim için verilmesi gereken enerji:
Yalıtkanlarda ise, Şekil2.1.(c) 'de görüldüğü gibi oldukça geniş bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yani elektronları, valans bandından iletkenlik bandına geçirebilmek için oldukça büyük bir enerji verilmesi gerekmektedir.



Şekil - 2.1 İletkenlik derecesine göre değişen bant enerjileri
(a) İletken, (b) Yarı iletken, (c) Yalıtkan