Valenzband

Abbildung 1. Ein Diagramm, das die Valenz- und Leitungsbänder von Isolatoren, Metallen und Halbleitern zeigt. Das Fermi-Niveau ist die Bezeichnung für das am absoluten Nullpunkt mit der höchsten Energie besetzte Elektronenorbital.

Das Valenzband ist das Band der Elektronenorbitale, aus denen Elektronen bei Anregung in das Leitungsband springen können. Das Valenzband ist einfach das äußerste Elektronenorbital eines Atoms eines bestimmten Materials, das die Elektronen tatsächlich besetzen. Die Energiedifferenz zwischen dem höchsten besetzten Energiezustand des Valenzbandes und dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Leitungsbandes wird als Bandlücke bezeichnet und ist ein Indikator für die elektrische Leitfähigkeit eines Materials. Eine große Bandlücke bedeutet, dass viel Energie erforderlich ist, um Valenzelektronen zum Leitungsband anzuregen. Wenn sich Valenz- und Leitungsband überschneiden, wie es bei Metallen der Fall ist, können Elektronen leicht zwischen den beiden Bändern hin- und herspringen (siehe Abbildung 1), was bedeutet, dass das Material sehr leitfähig ist.

Der Unterschied zwischen Leitern, Isolatoren und Halbleitern lässt sich daran erkennen, wie groß ihre Bandlücke ist. Isolatoren zeichnen sich durch eine große Bandlücke aus, d.h. es ist eine sehr große Energiemenge erforderlich, um Elektronen aus dem Valenzband zu bewegen und einen Strom zu erzeugen. Bei Leitern überschneiden sich Leitungs- und Valenzband, so dass die Valenzelektronen in solchen Leitern im Wesentlichen frei sind. Halbleiter hingegen haben eine kleine Bandlücke, die es einem bedeutenden Teil der Valenzelektronen des Materials ermöglicht, sich bei einer bestimmten Energiemenge in das Leitungsband zu bewegen. Diese Eigenschaft verleiht ihnen eine Leitfähigkeit, die zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt, was einer der Gründe ist, warum sie sich ideal für Schaltkreise eignen, da sie keinen Kurzschluss verursachen wie ein Leiter. Diese Bandlücke ermöglicht es Halbleitern auch, Licht in Photovoltaikzellen in Elektrizität umzuwandeln und als LEDs Licht zu emittieren, wenn sie zu bestimmten Arten von Dioden verarbeitet werden. Beide Prozesse beruhen auf der Energie, die von Elektronen aufgenommen oder abgegeben wird, die sich zwischen Leitungs- und Valenzband bewegen.