Elektronkihi mõjust suuremates struktuurides

Valents ehk valentsarv näitab kui palju sidemeid võib vastava keemilise elemendi aatomid moodustada oma kõige välimiste elektronidega. Monovalentne aatom või molekul võivad tekitada ühe keemilise sideme, divalentsed kaks sidet jne. Täpsuse mõttes kasutatakse rohkem oksüdatsiooniastet, et tähistada ka elektroni allika ja vastuvõtja rollis olevat aatomeid/molekule koos võimalike sidemete arvuga.

Metallid on tahkena suhteliselt nõrgalt valentselektrone ligi hoidvad elemendid ja seetõttu loovutatakse need kergesti elektrilise või magneetilise mõjutamise korral. Ühisena on metallidele omaseks väike valentselektronide arv ja suhteliselt suur diameeter, mis nõrgestab nende võimet elektrone enda ümber hoida. Elektrone on raskem eemaldada mittemetallide piirkonnas asuvatelt aatomitelt, mis suudavad vähe elektrit juhtida ja on kasutusel rohkem isolatsioonimaterjalina.
Metallid võivad blokeerida elektrivoolu teket kui nad on ioonsidemega (ühine elektron enamasti ühe aatomi ümber) nagu näiteks naatriumkloriidis, kus naatriumi valentselektron on ioonsidemes kloorile edasi antud ja ei saa osaleda voolu tekkes.
Pooljuhtide elektriline juhtivus on metallide ja mittemetallide vahel ning erinevalt metallidest suureneb nende elektrijuhtivus kuumenemisel.


Tõlkeprobleemina ei leidnud eestikeelset vastet electron band structure'le ja tõlgin selle esialgu elektrontsooni struktuurid. Tahke aine puhul tähistab see energia tasemeid, millega elektron saab ja ei saa olla.
Aatomite orbitaalidel on erinev hulk energiat kuid kui molekulis on mitu aatomit koos, siis nende orbitaalid ühinevad mingil määral ja energia hulk ühtlustub osaliselt. Suurema aatomite arvuga tahketes kogumites (näiteks ligikaudu mooli jagu) jäävad erinevused elektronide energias väga väikeseks ja materjalis tekivad suured ühtlasema energia sisaldusega "ribad". Osade energiatasemete puhul puuduvad vastava energiaga orbitaalid (bandgaps). Erinevused energia tasemes on tahkes aines tihedalt vahendatud footonite vahetusega.
Erinevate energia hulgaga ribade hulk võib olla lõputu kuid ka elektronil võib ühes aatomis lainelise käitumise tõttu olla lõputult palju erineva energiatasemega piirkondi.
Osades ribades on piisavalt energiat, et elektron saaks materjalist väljuda.
Ribade paksus sõltub nendesse jäävate orbitaalide paksusest.

Valence band on eesti keeles valentstsoon. Valentselektronid (ülal helesinised) on seotud oma aatomiga erinevalt erinevalt tahkes kristallstruktuuris vabalt liikuvatest elektronidest (pildil kollakad ribad). Valentselektroni rollis on nad madalama energia sisalduse tõttu kuid energilisemalt võivad nad vabalt kristallis ringi liikuda. Pooljuhtides ja insulaatorites on iga riba vahel isoleeriv elektronideta vähese energiaga riba (joonisel tühi piirkond) kuid metallides on energilisemad ribad ülekattuvate piiridega ning puuduvad elektrone piiravad vahealad.
Valentsribade rollist metallstruktuuri moodustamisel:
3 elektroniga liitiumi elektronkonfiguratsioon on 1s²2s¹ ning selliselt on neil aatomitel võime luua keemilist sidet ainult ühe teise aatomiga (üksiku väliskihi elektroni tõttu) ja kristalse massi moodustamisel võib selline piiratus ühenduste arvus takistuseks saada.
Samas võivad elektronid kõikuvalt (resonants) eri aatomite vahel eri sidemeid luua sarnaselt ülaloleva lämmastikdioksiidiga. Üks liitiumi aatom annab lühiajaliselt ära ühe elektroni kaotades selles olukorras võime sidet luua ning teine saab 2 elektroni, millega see saab ühendada ennast kahe teise liitiumi aatomiga võimaldades koos teiste endasugustega moodustada suuri kristallstruktuure. Elektroni kaotanud aatomid ei ole enam kovalentselt ühendatud kuid neil jääb võime neutraliseerida naabrite lisaelektroniga kaasa tulnud negatiivse laengu.
Teised metallid püsivad sarnase korrapäraga koos.
Valentstsoon on kõige energilisem elektronidega täidetud alamelektronkiht. Näitena pildil lillast overlap piirkonnast on s ja p elektronkihid kui mõlemad on elektronidega täidetud.
Juhtivustsoon (conduction band) on üldnimetus elektronide energia piirkonnale, kus veel pole elektrone kuid millel on piisavalt energiat valentselektroni vabastamiseks ja aatomite vahele liikuma saamiseks.
Metalli elektrijuhtivus sõltub juhtiva riba võimest valentselektrone üle võtta ning suurem aatomite vaheline distants ja kõrge orbitaalide energia takistavad seda tekitades keelutsooni (band gap).
Kui keelutsoonid on väikesed, siis soojendamine vähendab neid ja elektrijuhtivus paraneb nagu see on pooljuhtidel. Suuremate keelutsoonide korral valentstsoonide ja juhtivtsoonide vahel jääb elektrijuhtivus nullilähedaseks ning materjal mõjub elektrit isoleerivalt.

Keelutsoon on energiatase valentstsooni ja juhtivustsooni vahel kus pole elektrone ning selle ulatust tähistatakse elekronvoltides. Räni ja teiste elektroonikas kasutatud pooljuhtide keelutsooni suurus jääb ~1 elektronvoldi piirkonda. Ränile lisatud ained võivad olla väiksema keelutsooniga. Germaaniumil on see 0,67 eV ja indium(III)arseniidil 0,36 eV.
Eriti tundlik on indium antimoniid toatemperatuuril 0,17 elektronvoldiga (infrapunakiirguse kvandid on 0,0012-1,2 eV), mis on oma tundlikkuse tõttu kasutusel infrapunadetektorina infrapunakaamerates, soojuse poolt juhitavates rakettides ja infrapunateleskoopides.

Pooljuhid elektroonikas


Katood on tavaliselt elektrivoolu väljumiskoht ja anood voolu sisenemissuund.
P-tüüp ja N-tüüp tähistavad vastavalt positiivset ja negatiivset laengut. Katoodi negatiivne laeng tekib kui elektrone on rohkem kui prootoneid ja anoodi positiivne laeng tekib kuna prootoneid on rohkem elektronidest.
Transistoreid on ka teiste p ja n tüüpi materjalide kombinatsioonidega nagu n-p-n või p-n-p.
Räni ise on nõrgem elektrijuht kuid tundlikkuse ja mitmekülgsuse suurendamiseks lisatakse sellele teisi materjale (doping).
Mõlemad tüübid on ühtsed kristallid. Elektrijuhtivus langeb igasuguste katketega järjepidevas kristallis.
P-tüübi tekitamisel lisatakse metalle ja ühendeid, mis võtavad ränilt osad elektronid ära ning jääb tühi elektronauk. Tavaliselt kasutatakse selleks perioodilisustabeli 13. tulba elemente nagu boor ja alumiinium.
N-tüübi puhul lisatakse ränile lisaelektronide andmiseks näiteks fosforit või teisi 15. tulba elemente. Ühe esimese kasutusalana kasutati selliseid pooljuhte 1898. aastal raadios.
N-P ühendused on kasutusel dioodides mida kasutatakse LED ja laservalgustites. Diood laseb elektril voolata ainult ühes suunas (N ja P vahel on ühesuunaline ebaproportsionaalsus elektronide hulgas) ning neid kasutatakse seetõttu ka vahelduvvoolu muutmiseks alalisvooluks, sest kuigi vahelduvvool muudab oma suunda, saab see läbi dioodi suuremaltjaolt ainult ühesuunalist voolu levitada.
Lisaks on metallkihiga ühendatud N-tüüpi pooljuhte kasutatud vesinikust energia saamiseks. Vesinik ja hapnik ühinevad pallaadiumi mõjul ja soojusega kaasnenud vool kantakse edasi N-tüüpi pooljuhile.

Pooljuhid päikesepatareides

Nähtav valgus ja suurema energiaga footonid tekitavad fotoelektrilist effekti, mis võib näiteks eemaldada objektidest staatilise elektri (klipp). Eintsein pakkus ühes oma 1905. aasta artiklis välja, et valgusel on kvandid, mis suudavad elektrone materjalist välja lüüa piisava energia olemasolul ja selle selgituse eest sai ta 1921. aastal Nobeli preemia.

Päikesepatareide puhul ei lennuta footonid üldiselt elektrone minema vaid suunavad neid valentsribalt juhtivale ribale, mis saavutatakse eri materjalide kokku ühendamisega.
Näiteid erinevate pooljuhtide ja materjalide effektiivsustest päikesepatareides.
Esimene päikesepatarei tehti 1883. aastal pooljuhist seleeniumile õhukese kulla kihi peale lisamisega, mis tekitas 1% efektiivsusega päikesepatarei.
Tööpõhimõttena saab pooljuhi materjal footoneid ja nende elektronid hakkavad liikuma edasi alalisvooluna.

Maksimaalseks efektiivsuseks vajalik lünk valents- ja juhtivustsooni vahel peaks olema umbes 1,5 elektronvolti ning nähtav valgus sobib selleks hästi. Efektiivsust saab tõsta mitme n-p tüübi kombineerimisel või kiirguse püüdmisel peegeldustega.

Lihtsustatud kokkuvõttena võib pooljuhte panna elektrit juhtima sobivate tingimuste saavutamisega. Energia allikates võivad nad juba toatemperatuuril või infrapunakiirgusega elektronide voolu tekitada. Lisaks võib neid panna elektrit juhtiva elektromagnetkiirgusega stimuleerides näiteks laseriga või isegi surve avaldamisega. Sellised aktiveerimisviisid võimaldavad neid kasutada lisaks sensoritele ka elektroonikas.