Şekil 1.1. Katı cisim içindeki atomlara ait enerji düzeylerinin

yarılarak enerji bandlarının oluşumu (T.ATALAY, Katıhal Teorisi 1)

            Atomun yapısında yer alan ve daha iç kabuklarda bulunan elektronlar, çekirdeğe yakın olmaları nedeniyle, atoma daha sıkı bağlıdırlar. Diğer taraftan bu elektronlar üzerine öteki komşu atomların etkileri de ihmal edilebilecek kadar az olur. Bu nedenle iç kabuklardaki bu seviyelerin yarılmaları çok daha küçük boyutlarda olacağından iç kabuk elektronlarının enerji değerleri,pratik olarak, atomunkiler ile aynıdır.

            Pauli ilkesine göre her enerji düzeyinde, spinleri farklı olmak koşulu ile, en fazla iki elektron yer alabilir. Buna göre bir band N sayıda enerji düzeyine yarılıyorsa bu bandda en fazla 2N sayıda elektron bulunabilir. Elektronlar enerji açısından  enerji değerleri küçük olan seviyelere öncelikle yerleşirler. Böylece tüm elektronlar enerjilerine göre seviyelere yerleşir. Elektron bulunan en yüksek enerjili seviyeden sonra gelen enerji düzeyi, yerleşecek başka elektron kalmadığı için, boş kalacaktır. Elektronlar ortamdan ısı enerjisi alarak daha yüksek enerjili düzeylere, eğer yerleşmesi mümükün ise, geçiş yapabilir. Bu nedenle bir katı içinde elektron bulunan en yüksek enerji düzeyi, katı cismin bulunduğu sıcaklığa bağlı olarak değişir.

            Herhangi bir sıcaklıkta elektron bulunan en yüksek enerji seviyesine valens bandı, bunu izleyen ilk boş enerji düzeyine ise iletkenlik bandı adı verilmiştir. Mutlak sıfır sıcaklığında ( 0 oK) elektron bulunan en yüksek enerji düzeyinin adı ise Fermi Seviyesidir.

            Valens bandında bulunan atoma bağlı bir elektron, herhangi bir dış etki ile, örneğin elektrik alan, optik aydınlatma, x-ışınları ile ışınlama, magnetik alan ısı enerjisi gibi,enerji kazanabiliyor ve daha yüksek enerjili boş seviyelere, başka sözlerle iletkenlik bandına geçiş yapabiliyorsa, bu elektron atomdan bağımsız hale gelir, yani serbest elektron durumuna geçer. Elektronun katı cisim içinde serbestçe dolaşması anlamına gelen bu olgu katı cismin iletken özellik taşıması demektir. Bu nedenle dolu olan en yüksek enerjili banddan sonra gelen daha yüksek enerjili seviyelere iletkenlik seviyeleri denmiştir. Örneğin metallerde en dış yörüngede bulunan valens elektronu atoma zayıf bir şekilde bağlı olup, küçük bir elektrik alan etkisi ile bağlı olduğu atomdan kurtarılabilir ve elektron serbest elektron veya iletkenlik elektronu haline gelir ve katı cisme elektriksel iletkenlik kazandırır. Bu özelliğe sahip maddeler iletkenler olarak bilinir.

            Eğer valens elektronu atoma çok güçlü bağlarla bağlı ise, bir dış etki ile bu elektronlar atomdan kopartılamaz ve iletkenlik bandına geçecek elektron yaratılamaz.  Dolayısıyla bu maddeler iletkenlik özelliği gösteremezler. Bunlara yalıtkan (izolatör) maddeler denir.

            Bazı maddelerde ise, alçak sıcaklıklarda valens bandındaki elektronlar yeterli enerji kazanarak iletkenlik bandına çıkamamalarına rağmen, sıcaklık  artınca,  örneğin  oda sıcaklığında ( 300 oK) bile elektronların kazandığı enerji onların valens bandından iletkenlik bandına çıkmalarına neden olur ve malzeme iletken karakter kazanır. Bu özelliğe sahip malzeme yarı iletkenler olarak tanımlanmıştır.

                        Şekil 1.2. Katı cisimlerin band teorisine göre elektriksel iletkenliklerinin

                                    değerlendirilmesi. (T. Atalay Katıhal Teorisi 1)

            Şekil 1.2. den görüleceği gibi malzemenin elektriksel iletkenliğini belirleyen ana faktör, valens bandı ile iletkenlik bandı arasındaki genişliktir. Elektronların enerji açısından bulunmalarının mümkün olmadığı bu bölgeye Yasak Enerji Aralığı denir. Buna göre iletken malzemede valens bandı ile iletkenlik bandı arasındaki genişlik sıfırdır, başka sözlerle iletkenlerde valens bandı ile iletkenlik bandı üst üste binmiştir. Yalıtkanlarda ise yasak enerji aralığı oldukça geniş olup, elektron yeterli enerji kazanarak valens bandından iletkenlik bandına geçiş yapamaz. Şekil 1.2. den görüleceği gibi yarı iletkenlerde yasak enerji aralığı, elektronların oda sıcaklığında bile enerji kazanarak valens bandından iletkenlik bandına çıkmalarına izin verecek darlıktadır. Şekil 1.3. de malzemenin elektriksel davranışına göre sınıflandırması verilmiştir.