Valenssikaista

kuva 1. Kaavio, jossa esitetään eristimien, metallien ja puolijohteiden valenssi- ja johtumiskaistat. Fermi-taso on nimitys korkeimman energian miehitetylle elektroniorbitaalille absoluuttisessa nollapisteessä.

Valenssikaista on elektroniorbitaalien kaista, josta elektronit voivat hypätä pois ja siirtyä johtavuuskaistalle virittyessään. Valenssikaista on yksinkertaisesti jonkin tietyn aineen atomin uloin elektroniorbitaali, jonka elektronit todellisuudessa valtaavat. Tämä liittyy läheisesti valenssielektronin ideaan.

Valenssikaistan korkeimman miehitetyn energiatilan ja johtavuuskaistan alimman miehittämättömän tilan välistä energiaeroa kutsutaan bändiaukoksi, ja se kertoo materiaalin sähkönjohtavuudesta. Suuri bändiaukko tarkoittaa, että valenssielektronien herättämiseen johtavuuskaistalle tarvitaan paljon energiaa. Sitä vastoin, kun valenssikaista ja johtavuuskaista ovat päällekkäin, kuten metalleissa, elektronit voivat helposti hypätä näiden kahden kaistan välillä (ks. kuva 1), mikä tarkoittaa, että materiaali on hyvin johtavaa.

Eroa johtajien, eristeiden ja puolijohteiden välillä voidaan osoittaa sen perusteella, kuinka suuri niiden kaistavälit ovat. Eristimille on ominaista suuri bändiaukko, joten elektronien siirtämiseen valenssikaistasta ulos virran muodostamiseksi tarvitaan kohtuuttoman suuri energiamäärä. Johtimissa johto- ja valenssikaistat ovat päällekkäin, joten valenssielektronit ovat näissä johtimissa periaatteessa vapaita. Puolijohteissa sen sijaan on pieni kaistaväli, joka mahdollistaa sen, että merkittävä osa materiaalin valenssielektroneista voi siirtyä johtokaistalle tietyllä energiamäärällä. Tämän ominaisuuden ansiosta niiden johtavuus sijoittuu johtimien ja eristeiden välimaastoon, mikä on osasyy siihen, miksi ne soveltuvat erinomaisesti virtapiireihin, sillä ne eivät aiheuta oikosulkua kuten johtimet. Tämän kaistavälin ansiosta puolijohteet pystyvät myös muuttamaan valon sähköksi aurinkokennoissa ja lähettämään valoa LEDeinä, kun niistä tehdään tietyntyyppisiä diodeja. Molemmat näistä prosesseista perustuvat johtumis- ja valenssikaistan välillä liikkuvien elektronien absorboimaan tai vapauttamaan energiaan.