Memahami Teori Band Padatan: Bagaimana Tingkat Energi Elektron Bentuk Konduktivitas Listrik
Mekanika kuantum menggambarkan elektron dalam atom menggunakan empat angka kuantum, yang menentukan status energi yang diizinkan—mirip dengan kursi di stadion. Setiap electron menempati himpunan angka kuantum yang unik, analog dengan penonton yang ditugaskan pada baris dan kursi tertentu.
Elektron dapat bergerak antara status ini ketika energi disediakan atau dilepaskan, sama seperti penonton mungkin pindah baris. Transisi antara berbagai lapisan membutuhkan energi yang signifikan, sementara bergerak di dalam lapisan atau antara subshell membutuhkan lebih sedikit.
Saat atom ikatan untuk membentuk padatan, lapisan luar, subshell, dan orbital mereka bergabung, menciptakan array padat dari tingkat energi yang bergabung menjadi hampir band kontinu. Ini diilustrasikan pada gambar di bawah ini.
Dalam logam, band konduksi tumpang tindih dengan band valensi, memungkinkan elektron mengalir bebas dengan energi eksternal minimal. Elektron "bebas" ini adalah pembawa yang memberikan logam konduktivitas yang luar biasa.
Sebaliknya, isolator menunjukkan jarak band yang substansial antara band terisi tertinggi (band valensi) dan band kosong berikutnya (band konduksi). Tanpa energi yang cukup untuk menyeberangi jarak ini, elektron valensi tetap terikat, mencegah konduksi listrik. Lihat gambar di bawah ini.
Semikonduktor berada di antara kedua ekstrim ini, dengan jarak band yang sempit. Pada suhu rendah, sedikit elektron yang memiliki energi termal yang diperlukan untuk menyeberangi jarak, sehingga bahan berperilaku seperti isolator. Seiring naiknya suhu, lebih banyak elektron mencapai band konduksi, meningkatkan konduktivitas secara dramatis. Gambar di bawah ini membandingkan struktur band semikonduktor dan logam.
Tidak selalu mungkin untuk memprediksi konduktivitas bahan dari konfigurasi elektron atom penyusunnya. Sebagai contoh, sementara konduktor terbaik—perak, tembaga, dan emas—masing-masing memiliki satu elektron s valensi, konduktivitas tergantung pada bagaimana band mereka tumpang tindih, bukan sekadar pada jumlah elektron.
Poin Utama
- Energi diperlukan untuk mempromosikan elektron dari band valensi ke band konduksi; jarak yang lebih besar berarti energi yang lebih tinggi.
- Dalam logam, tumpang tindih band memungkinkan elektron bergerak dengan energi minimal, menjadikannya konduktor yang luar biasa.
- Isolator memiliki jarak band yang lebar yang mencegah mobilitas elektron, menghasilkan konduktivitas yang tidak đáng diperhitungkan.
- Semikonduktor memiliki jarak kecil yang tidak tumpang tindih, memungkinkan konduktivitas yang terkontrol yang bervariasi menurut suhu atau doping.
Pembelajaran Lebih Lanjut
