Pasmo walencyjne

Rysunek 1. Schemat przedstawiający pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa izolatorów, metali i półprzewodników. Poziom Fermiego to nazwa nadana orbitalowi elektronowemu o najwyższej energii zajętej w temperaturze zera bezwzględnego.

Pasmo walencyjne to pasmo orbitali elektronowych, z którego elektrony mogą wyskoczyć, przechodząc do pasma przewodnictwa, gdy są wzbudzone. Pasmo walencyjne jest po prostu najbardziej zewnętrznym orbitalem elektronowym atomu danego materiału, który elektrony faktycznie zajmują. Jest to ściśle związane z ideą elektronu walencyjnego.

Różnica energii pomiędzy najwyższym zajętym stanem energetycznym pasma walencyjnego i najniższym niezajętym stanem pasma przewodnictwa nazywana jest przerwą pasmową i wskazuje na przewodnictwo elektryczne materiału. Duża przerwa w paśmie oznacza, że do wzbudzenia elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa potrzebna jest duża ilość energii. I odwrotnie, kiedy pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa nakładają się na siebie, jak to ma miejsce w metalach, elektrony mogą łatwo przeskakiwać pomiędzy tymi dwoma pasmami (patrz rysunek 1), co oznacza, że materiał jest wysoce przewodzący.

Różnica pomiędzy przewodnikami, izolatorami i półprzewodnikami może być pokazana przez to, jak duża jest ich przerwa pasmowa. Izolatory charakteryzują się dużą przerwą pasmową, więc do przesunięcia elektronów z pasma walencyjnego w celu wytworzenia prądu potrzebna jest bardzo duża ilość energii. Przewodniki mają nakładające się na siebie pasma przewodnictwa i walencyjne, więc elektrony walencyjne w takich przewodnikach są w zasadzie swobodne. Półprzewodniki, z drugiej strony, mają małą przerwę w paśmie, która pozwala na przejście znaczącej części elektronów walencyjnych materiału do pasma przewodnictwa przy określonej ilości energii. Ta właściwość daje im przewodnictwo pomiędzy przewodnikami a izolatorami, co jest częścią powodu, dla którego są one idealne dla obwodów, ponieważ nie spowodują zwarcia jak w przypadku przewodników. Ta luka pasmowa pozwala również półprzewodnikom na przekształcanie światła w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych oraz na emitowanie światła jako diody LED, gdy są wykonane w pewnych typach diod. Oba te procesy opierają się na energii pochłanianej lub uwalnianej przez elektrony poruszające się pomiędzy pasmami przewodnictwa i walencyjnymi.