Energiebändermodell

Modellvorstellung zur Beschreibung elektrischer und optischer Eigenschaften fester Körper. Bei Atomen, die in einem Kristallgitter eingebaut sind, bleiben nur die Elektronen der inneren Schalen fest an ihren Atomkern gebunden. Die Energiezustände, die die quasifreien äußeren Elektronen (nach der Quantentheorie) einnehmen können, sind in mehr oder weniger breiten, durch „verbotene“ Energiestufen getrennten „Bändern“ gruppiert. In einem mit Elektronen voll besetzten Energieband ist eine Elektronenbewegung, das bedeutet die Leitung eines elektrischen Stroms, nicht möglich.

Die elektrische Leitfähigkeit der Metalle wird nach diesem Modell so erklärt, dass über dem obersten bei T = 0 Kelvin voll besetzten Band, dem Valenzband, ein nur noch teilweise mit Elektronen besetztes Energieband, das sog. Leitungsband, vorhanden ist. Die Elektronen dieses Bandes sind frei beweglich. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung fließen sie einheitlich in Richtung des elektrischen Feldes und erzeugen dadurch einen elektrischen Strom. In Isolatoren sind die tieferen Energiebänder voll besetzt, die höheren noch leeren Bänder durch eine breite, „verbotene“ Energielücke getrennt. Ist die Energiestufe vom obersten voll besetzten zum nächsten unbesetzten Band nur klein, so genügt schon eine geringe Energiezufuhr, etwa durch Erwärmung, um Elektronen in das unbesetzte Band anzuheben und so die Leitung elektrischer Ströme zu ermöglichen: Dies ist die einfachste Modellvorstellung eines Halbleiters.

Auch durch Absorption von Licht, dessen Energiequanten der Energiestufe zwischen zwei Bändern entsprechen, können Elektronen in ein höheres Band angehoben werden: innerer Photoeffekt.