Wat is een geleidingsband?
Gebruikt in de kwantummechanica, verwijst de term geleidingsband naar een gebied van gecombineerde orbitalen, of een band, voor elektronen in een molecuul. In tegenstelling tot de valentieband bevat de geleidingsband zelden elektronen. In geëxciteerde toestanden zullen elektronen even in de geleidingsband bewegen voordat ze hun energie vrijgeven en terugvallen in lagere elektronenorbitalen. Inzicht in het gedrag van elektronen ten opzichte van deze band is nuttig om te begrijpen hoe verschillende stoffen zich gedragen. In de kwantummechanica wordt het concept van de geleidingsband behandeld in de bandtheorie.
Atomen zijn gerangschikt met protonen - positief geladen deeltjes - en neutronen - neutrale deeltjes - geclusterd in het midden. Elektronen - kleine negatief geladen moleculen - draaien in een baan rond het centrale cluster, vergelijkbaar met de manier waarop de planeten in het zonnestelsel in een baan om de zon draaien. Net als de planeten hebben elektronen vaste banen. In tegenstelling tot de planeten kunnen elektronen echter in een andere baan bewegen als ze voldoende energie krijgen.
Over het algemeen worden elektronen gevonden in de lagere orbitalen van een atoom. Elektronen vullen altijd eerst de laagste baan, en gaan pas naar de volgende wanneer de eerste is gevuld. Deze natuurlijke plaatsing wordt de grondtoestand van het atoom genoemd.
Valence-elektronen van één atoom, of die gewoonlijk worden gevonden in de buitenste band van de orbitalen van de grondtoestand, kunnen worden gedeeld met andere atomen. In covalente bindingen delen valentie-elektronen van meerdere atomen hun orbitalen. De oorspronkelijke orbitalen van de valentie-elektronen vervagen samen, waardoor een valentieband in het molecuul ontstaat.
Wanneer elektronen energie winnen, of een opgewonden toestand bereiken, kunnen ze naar hogere orbitalen gaan, gevonden in de geleidingsband. Elektronen moeten voldoende energie hebben om over een niet-elektronengebied of bandafstand te springen om de geleidingsband te bereiken. Omdat elektronen uiteindelijk liever in grondtoestand verkeren, eenmaal in de geleidingsband, geven ze energie vrij in de vorm van lichtfotonen en vallen terug naar hun valentiebandorbitalen. De totale tijd dat een elektron in de geleidingsband is, is minder dan een seconde.
Het vermogen van elektronen om de geleidingsband te bereiken, bepaalt de elektrische geleidbaarheid van een object. Verschillende stoffen hebben verschillende bandafstanden, dus sommige stoffen hebben minder energie nodig om elektronen tussen orbitalen te verplaatsen. Geleiders hebben bijvoorbeeld een kleine bandafstand, zodat elektronen niet veel energie nodig hebben om over deze minimale opening te springen en de geleidingsband te bereiken. Daarom zijn geleiders ideaal voor het geleiden van elektriciteit. Omgekeerd hebben isolatoren een zeer grote bandafstand, waardoor ze aanzienlijk meer energie nodig hebben voor elektronen om de sprong te maken en dus niet goed elektriciteit geleiden.