Teori Band Padat

Fisika kuantum menjelaskan keadaan elektron dalam atom menurut skema empat kali lipat bilangan kuantum . Bilangan kuantum menggambarkan keadaan yang diizinkan elektron dapat diasumsikan dalam sebuah atom. Untuk menggunakan analogi amfiteater, bilangan kuantum menggambarkan berapa banyak baris dan kursi yang tersedia. Elektron individu dapat dijelaskan dengan kombinasi bilangan kuantum, seperti penonton di amfiteater yang ditempatkan pada baris dan kursi tertentu.

Seperti penonton di amfiteater yang bergerak di antara kursi dan baris, elektron dapat mengubah statusnya, mengingat adanya ruang yang tersedia bagi mereka untuk menyesuaikan diri, dan energi yang tersedia. Karena tingkat kulit terkait erat dengan jumlah energi yang dimiliki elektron, "lompatan" antara tingkat kulit (dan bahkan subkulit) memerlukan transfer energi. Jika sebuah elektron ingin pindah ke kulit orde yang lebih tinggi, itu membutuhkan energi tambahan yang diberikan kepada elektron dari sumber eksternal. Menggunakan analogi amfiteater, dibutuhkan peningkatan energi bagi seseorang untuk pindah ke deretan kursi yang lebih tinggi karena orang tersebut harus naik ke ketinggian yang lebih besar melawan gaya gravitasi. Sebaliknya, elektron yang “melompat” ke kulit yang lebih rendah melepaskan sebagian energinya, seperti seseorang yang melompat ke baris kursi yang lebih rendah, energi yang dikeluarkan bermanifestasi sebagai panas dan suara.

Tidak semua "lompatan" itu sama. Lompatan antar kulit yang berbeda membutuhkan pertukaran energi yang besar, tetapi lompatan antar subkulit atau antar orbital membutuhkan pertukaran yang lebih sedikit.

Ketika atom bergabung untuk membentuk zat, kulit terluar, subkulit, dan orbital bergabung, memberikan lebih banyak tingkat energi yang tersedia bagi elektron untuk diasumsikan. Ketika sejumlah besar atom saling berdekatan, tingkat energi yang tersedia ini membentuk pita . yang hampir kontinu dimana elektron dapat bergerak seperti yang diilustrasikan pada Gambar di bawah

Pita elektron tumpang tindih dalam elemen logam.

Lebar pita-pita ini dan kedekatannya dengan elektron-elektron yang ada menentukan seberapa mobile elektron-elektron tersebut ketika terkena medan listrik. Dalam zat logam, pita kosong tumpang tindih dengan pita yang mengandung elektron, yang berarti bahwa elektron dari satu atom dapat berpindah ke tingkat yang biasanya lebih tinggi dengan sedikit atau tanpa energi tambahan yang diberikan. Dengan demikian, elektron terluar dikatakan “bebas”, dan siap untuk bergerak dengan isyarat medan listrik.

Tumpang tindih pita tidak akan terjadi pada semua zat, tidak peduli berapa banyak atom yang berdekatan satu sama lain. Dalam beberapa zat, celah substansial tetap ada antara pita tertinggi yang mengandung elektron (disebut pita valensi ) dan pita berikutnya, yang kosong (yang disebut pita konduksi ). Lihat Gambar di bawah. Akibatnya, elektron valensi "terikat" pada atom penyusunnya dan tidak dapat bergerak di dalam zat tanpa sejumlah besar energi yang diberikan. Zat-zat ini adalah isolator listrik.

Pemisahan pita elektron pada zat penyekat.

Bahan yang termasuk dalam kategori semikonduktor memiliki celah sempit antara pita valensi dan konduksi. Dengan demikian, jumlah energi yang dibutuhkan untuk memotivasi elektron valensi ke pita konduksi di mana ia menjadi mobile cukup sederhana. (Gambar di bawah)

Pemisahan pita elektron dalam zat semikonduktor, (a) banyak atom dekat semikonduktor masih menghasilkan celah pita yang signifikan, (b) banyak atom logam dekat untuk referensi.

Pada suhu rendah, sedikit energi panas tersedia untuk mendorong elektron valensi melintasi celah ini, dan bahan semikonduktor bertindak lebih sebagai isolator. Namun, pada suhu yang lebih tinggi, energi panas sekitar menjadi cukup untuk memaksa elektron melintasi celah, dan material akan meningkatkan konduksi listrik. Sulit untuk memprediksi sifat konduktif suatu zat dengan memeriksa konfigurasi elektron atom penyusunnya. Meskipun konduktor listrik logam terbaik (perak, tembaga, dan emas) semuanya memiliki s luar subkulit dengan satu elektron, hubungan antara konduktivitas dan jumlah elektron valensi tidak selalu konsisten:

Konfigurasi pita elektron yang dihasilkan oleh senyawa dari unsur yang berbeda tidak mudah dikaitkan dengan konfigurasi elektron unsur penyusunnya.

TINJAUAN:

• Energi diperlukan untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita kosong yang lebih tinggi, pita konduksi. Lebih banyak energi diperlukan untuk berpindah antar kulit, lebih sedikit antar subkulit.
• Karena pita valensi dan konduksi tumpang tindih dalam logam, sedikit energi yang melepaskan elektron. Logam adalah konduktor yang sangat baik.
• Celah yang besar antara pita valensi dan pita konduksi suatu isolator membutuhkan energi yang tinggi untuk melepaskan elektron. Jadi, isolator tidak menghantarkan.
• Semikonduktor memiliki celah kecil yang tidak tumpang tindih antara pita valensi dan konduksi. Semikonduktor murni bukanlah isolator atau konduktor yang baik. Semikonduktor bersifat semi-konduktif.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konduksi Listrik pada Semikonduktor