Kuantum mekaniğine göre bir atom, kesikli enerji düzeylerine sahiptir. İki atom bir araya geldiğinde her bir enerji düzeyi daha yüksek ve daha düşük enerji seviyelerine ayrılarak orbitalleri oluştururlar. (Orbital: Atom çevresinde elektronların bulunma ihtimalinin yoğunlaştığı bölgeler. ) Bir kristaldeki atom sayısı arttıkça etkileşim miktarı da artar ve enerji düzeyleriyle beraber band yapısı da ortaya çıkar. Eğer en yüksek işgal edilmiş durum ile en düşük işgal edilmiş durum arasında büyük bir enerji farkı varsa band aralığı ortaya çıkar.
Yarıiletkenlerde bant yapısının oluşumunu silikon atomlarının kristali oluşturmak için bir araya getirerek açıklanabilir.
Si: 1s22s22p63s23p2
Band aralıklarına göre iletkenler, yarıiletkenler ve yalıtkanlar.
Bu bantların çekirdeğe çok yakın ve tamamına yakın dolu olanına valans bandı denir. Bantların her biri farklı kuantum durumları ile ilgilidir. Yarı iletken ve yalıtkanlarda, iletkenlerden farklı olarak valans bandının tamamına yakını doludur.
Yarıiletkenler ile yalıtkanlar ve iletkenler arası temel farklardan biri band aralıklarıdır.
Yarıiletkenlerde, iletkenliğin oluşması için iletim bandına geçen elektronlar valans bandında işgal edilmemiş elektron boşluğu (hol) bırakırlar. Başka elektronlar bu holleri doldurunca hol hareket etmiş olur. Bu hareketler elektronlar ile karşılıklı olduğu için holler, pozitif yüklü parçacıklar gibi davranırlar.
Serbest elektronlar ile holler arasında bir dağılım söz konusudur. Elektronların enerji dağılımı, hangi enerji durumlarının dolu hangilerinin boş olduğunu tanımlar ve bu dağılım Fermi-Dirac istatistiği ile belirlenir.
Farklı sıcaklıklar için Fermi-Dirac dağılımı. Image: Robert Wittmann, Technischen Universität Wien
Dağılım; elektronların sıcaklık ve Fermi enerjisi veya Fermi seviyesi ile karakterize edilir. Mutlak 0’ın sıcaklığında Fermi enerjisi elektronların işgal ettiği en üst enerji düzeyi olarak tanımlanabilir. Daha yüksek sıcaklıklarda Fermi enerjisi durumun işgal edilme olasılığının 0,5’e düştüğünü enerji olarak tanımlayabilir.
Yusuf Bilgen 