Johtokaista

Kuvio 1. Kaavio, jossa esitetään eristimien, metallien ja puolijohteiden valenssi- ja johtumiskaistat. Fermi-taso on nimitys korkeimman energian miehitetylle elektroniorbitaalille absoluuttisessa nollapisteessä.

Johtumiskaista on elektroniorbitaalien kaista, johon elektronit voivat hypätä valenssikaistasta ylöspäin virittyessään. Kun elektronit ovat näillä orbitaaleilla, niillä on riittävästi energiaa liikkua vapaasti aineessa. Tämä elektronien liike synnyttää sähkövirran. Valenssikaista on yksinkertaisesti jonkin tietyn aineen atomin uloin elektroniorbitaali, jossa elektronit todella ovat. Energiaeroa valenssikaistan korkeimman miehitetyn energiatilan ja johtavuuskaistan alimman miehittämättömän tilan välillä kutsutaan bändiaukoksi, ja se kertoo materiaalin sähkönjohtavuuden. Suuri bändiaukko tarkoittaa, että valenssielektronien herättämiseen johtavuuskaistalle tarvitaan paljon energiaa. Sitä vastoin kun valenssikaista ja johtumiskaista ovat päällekkäin, kuten metalleissa, elektronit voivat helposti hypätä näiden kahden kaistan välillä (ks. kuva 1), mikä tarkoittaa, että materiaali on hyvin johtavaa.

Insulaattoreille on ominaista suuri bändiaukko, joten elektronien siirtäminen johtavuuskaistalle virran muodostamiseksi vaatii kohtuuttoman suuren energiamäärän. Johtimissa johtumis- ja valenssikaistat ovat päällekkäin, joten tällaisissa johtimissa valenssielektronit ovat periaatteessa vapaita. Puolijohteissa sen sijaan on pieni kaistaväli, joka mahdollistaa sen, että merkittävä osa materiaalin valenssielektroneista voi siirtyä johtokaistalle tietyllä energiamäärällä. Tämän ominaisuuden ansiosta niiden johtavuus sijoittuu johtimien ja eristeiden välimaastoon, minkä vuoksi ne soveltuvat erinomaisesti sähkövirtapiireihin, sillä ne eivät aiheuta oikosulkua kuten johtimet. Tämän kaistavälin ansiosta puolijohteet pystyvät myös muuttamaan valon sähköksi aurinkokennoissa ja lähettämään valoa LEDeinä, kun niistä tehdään tietyntyyppisiä diodeja. Molemmat näistä prosesseista perustuvat johtumis- ja valenssikaistan välillä liikkuvien elektronien absorboimaan tai vapauttamaan energiaan.

Lisälukemista

Lisätietoa saat alla olevilta aiheeseen liittyviltä sivuilta:

• Puolijohde
• Metalli
• Fotokenno
• Vaihtovirtasovitin vaihtovirtasovittimesta tasavirtasovittimeen
• Ota tai tutki satunnaista sivua!