Leitungsband

Abbildung 1. Ein Diagramm, das die Valenz- und Leitungsbänder von Isolatoren, Metallen und Halbleitern zeigt. Das Fermi-Niveau ist die Bezeichnung für das am absoluten Nullpunkt mit der höchsten Energie besetzte Elektronenorbital.

Das Leitungsband ist das Band der Elektronenorbitale, in die Elektronen bei Anregung aus dem Valenzband hinaufspringen können. Wenn sich die Elektronen in diesen Orbitalen befinden, haben sie genug Energie, um sich im Material frei zu bewegen. Diese Bewegung der Elektronen erzeugt einen elektrischen Strom. Das Valenzband ist einfach das äußerste Elektronenorbital eines Atoms eines bestimmten Materials, das tatsächlich von Elektronen besetzt ist. Die Energiedifferenz zwischen dem höchsten besetzten Energiezustand des Valenzbandes und dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Leitungsbandes wird als Bandlücke bezeichnet und ist ein Indikator für die elektrische Leitfähigkeit eines Materials. Eine große Bandlücke bedeutet, dass viel Energie erforderlich ist, um Valenzelektronen zum Leitungsband anzuregen. Wenn sich hingegen Valenz- und Leitungsband überschneiden, wie es bei Metallen der Fall ist, können Elektronen leicht zwischen den beiden Bändern hin- und herspringen (siehe Abbildung 1), was bedeutet, dass das Material sehr leitfähig ist.

Isolatoren zeichnen sich durch eine große Bandlücke aus, so dass eine unerschwinglich große Energiemenge erforderlich ist, um Elektronen in das Leitungsband zu bewegen und einen Strom zu erzeugen. Bei Leitern überschneiden sich Leitungs- und Valenzband, so dass die Valenzelektronen in solchen Leitern im Wesentlichen frei sind. Halbleiter hingegen haben eine kleine Bandlücke, die es einem bedeutenden Teil der Valenzelektronen des Materials ermöglicht, sich bei einer bestimmten Energiemenge in das Leitungsband zu bewegen. Diese Eigenschaft verleiht ihnen eine Leitfähigkeit, die zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt. Dies ist einer der Gründe, warum sie sich ideal für elektrische Schaltungen eignen, da sie keinen Kurzschluss verursachen wie ein Leiter. Diese Bandlücke ermöglicht es Halbleitern auch, Licht in Photovoltaikzellen in Elektrizität umzuwandeln und Licht als LEDs auszusenden, wenn sie zu bestimmten Arten von Dioden verarbeitet werden. Beide Prozesse beruhen auf der Energie, die von Elektronen aufgenommen oder abgegeben wird, die sich zwischen dem Leitungs- und dem Valenzband bewegen.

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