Valentieband

Figuur 1. Een diagram met de valentie- en geleidingsbanden van isolatoren, metalen en halfgeleiders. Het Fermi-niveau is de naam die wordt gegeven aan de hoogste energie bezette elektronenbaan bij het absolute nulpunt.

De valentieband is de band van elektronenbanen waaruit elektronen kunnen springen en die bij opwinding overgaat in de geleidingsband. De valentieband is eenvoudigweg de buitenste elektronenbaan van een atoom van een specifiek materiaal die elektronen daadwerkelijk bezetten. Dit is nauw verwant met het idee van het valentie-elektron.

Het energieverschil tussen de hoogste bezette energietoestand van de valentieband en de laagste niet-bezette toestand van de geleidingsband wordt de bandkloof genoemd en is een aanwijzing voor het elektrisch geleidingsvermogen van een materiaal. Een grote bandkloof betekent dat er veel energie nodig is om valentie-elektronen te exciteren naar de geleidingsband. Omgekeerd, wanneer de valentieband en de geleidingsband elkaar overlappen, zoals bij metalen, kunnen elektronen gemakkelijk tussen de twee banden springen (zie figuur 1), wat betekent dat het materiaal zeer geleidend is.

Het verschil tussen geleiders, isolatoren en halfgeleiders kan worden aangetoond door de grootte van hun bandkloof. Isolatoren worden gekenmerkt door een grote bandkloof, zodat een onbetaalbaar grote hoeveelheid energie nodig is om elektronen uit de valentieband te verplaatsen om een stroom te vormen. Geleiders hebben een overlapping tussen de geleidingsband en de valentieband, zodat de valentie-elektronen in dergelijke geleiders in wezen vrij zijn. Halfgeleiders daarentegen hebben een kleine bandkloof, waardoor een significante fractie van de valentie-elektronen van het materiaal naar de geleidingsband kan bewegen bij een bepaalde hoeveelheid energie. Deze eigenschap geeft hen een geleidingsvermogen tussen geleiders en isolatoren in, hetgeen een van de redenen is waarom zij ideaal zijn voor schakelingen, aangezien zij geen kortsluiting veroorzaken zoals een geleider. Deze bandkloof maakt het ook mogelijk dat halfgeleiders licht omzetten in elektriciteit in fotovoltaïsche cellen en licht uitstralen als LED’s wanneer zij in bepaalde soorten diodes worden gemaakt. Beide processen berusten op de energie die wordt geabsorbeerd of afgegeven door elektronen die zich tussen de geleidingsband en de valentieband bewegen.