Energibåndet

Energibåndet er et grundlæggende begreb i faststoffysik, som beskriver de tilladte energiniveauer for elektroner i en krystal med en periodisk gitterpotential. På grund af denne periodiske struktur opstår der energibånd, som varierer med elektronets kristallinske momentum (k). Mellem båndene findes energibåndgab, der definerer hvilke energier elektroner ikke kan have i et givent materiale.

I et fast stof kan elektroner ikke besætte individuelle niveaufordelinger som i frie atomer; i stedet fylder de hele bånd. Valensbåndet er det højeste bånd, som normalt er fuldt besat ved lav temperatur i et isolatorisk materiale, mens ledende bånd ligger over valensbåndet og kan udnyttes til elektrisk conduction. Semiconductorers egenskaber afgøres af båndgabets størrelse og dopning, som styrer hvor nemt elektroner kan bevæge sig fra valens- til ledende båndet.

Bandstrukturen kan beregnes teoretisk ved hjælp af modeller som den næsten-frie elektron-model eller tight-binding-modellen, og den kan måles eksperimentelt ved teknikker som fotoemissionsspektroskopi og elektronisk bandstruktur-analyse. Blochs theorem beskriver elektronernes bølgefunktioner i en krystal og ligger til grund for forståelsen af energibåndene i krystaller.

Energibåndet har stor betydning for moderne teknologi. Det bestemmer elektrisk ledningsevne og egenskaber for halvledere, som i praksis anvendes i dioder, transistorer og solceller. Båndgab-singeniøring, dvs. tilpasning af energiniveauerne, er central for optoelektroniske enheder som LED'er og laserdioder.