Kaistaväli on energiaero alin johtavuuskaista ja korkein valenssikaista puolijohteessa. Elektronien johtavuuskaistan ja valenssikaistan välinen etäisyys tunnetaan kaistavälinä. Minimaalista energiaa, joka tarvitaan elektronin virittämiseen johtavuuskaistan tilaan, jossa se voi osallistua johtamiseen, edustaa olennaisesti kaistaväli.
Valenssikaista on alempi energiataso; siksi, jos sen ja korkeamman energian välillä on tilaa johtavuusnauha, energiaa on lisättävä, jotta elektronit vapautuvat. Tämän kaistavälin suuruus ja olemassaolo tekevät mahdolliseksi erottaa johtimet, puolijohteet ja eristeet.
Miten johtimet, eristimet ja puolijohteet eroavat kaistavälistään?
Erilaiset kaistavälit osoittavat, kuinka puolijohteilla, eristimillä ja johtimilla on erikokoiset kaistavälit. Materiaalien ainutlaatuiset ominaisuudet johtuvat osittain tämän kaistavälin laajuudesta. Eristeissä on merkittävä kaistaväli erottaa elektronit valenssikaistalla johtavuuskaistalla olevilta. Tämä osoittaa, että on olemassa merkittävä "kielletty" energiaaukko, joka estää valenssiavaruudesta tulevia elektroneja hyppäämästä johtavuusavaruuteen ja osallistumasta johtamiseen. Tämä selittää, miksi eristeet eivät johda sähköä tehokkaasti.
Valenssikaista ja johtavuuskaista menevät päällekkäin johtimissa. Valenssielektronit voivat käytännössä vapaasti päästä johtavuuskaistalle ja osallistua johtamiseen tämän päällekkäisyyden seurauksena. Vain osa valenssielektroneista voi kulkea aineen läpi, koska osittainen päällekkäisyys, mutta tämä riittää silti tekemään johtimista johtavia.
Miten puolijohteiden kaistaväli täytetään?
Puolijohteiden aukko voidaan täyttää jollain stimulaatiolla, mahdollisesti auringosta, jos aurinkosähkö soluja. Raon koko on periaatteessa eristimen ja johtimen "välissä". Rajoitettu määrä elektroneja voi päästä tämän mallin johtavuuskaistalle ja johtaa hyvin vaatimattoman määrän sähköä.
Tämän elektronin aktivoitumisen jälkeen jäänyt elektroniaukko mahdollistaa myös muiden johtumisprosessien tapahtumisen. Läheisen atomin elektroni voi täyttää tämän tyhjän paikan, alkaen reikien kaskadi ja elektronien liike joka johtaa virtaan. Tämän materiaalin johtavuutta voidaan lisätä dramaattisesti lisäämällä pieni määrä dopingmateriaalia.
Lue myös: Kuinka aurinkoenergian PPA toimii?
Pienin energiamäärä, joka tarvitaan aineen uloimmissa kuorissa olevien elektronien irtautumiseen lähtöatomeistaan, tunnetaan kaistavälinä tai energiakaistavälinä. Sitten nämä elektronit osallistuvat johtamiseen. Koska vapaita elektroneja on aina saatavilla johtamiseen pienintäkin sähköpotentiaalia käytettäessä, hyvillä johtimilla on nolla kaistaväli.
Niiden valenssi- ja johtavuusnauhat menevät itse asiassa päällekkäin. Koska elektronin vapauttaminen emoatomistaan vaatii paljon energiaa, eristimillä on poikkeuksellisen suuret kaistavälit. Puolijohteilla on elektronivolttiasteikon välikaistan avaruusenergiat. Elektronin potentiaalin pienentämiseksi yhdellä voltilla tarvitaan yksi elektronivoltti (1ev).
