نظریه نواری در جامدات
در این نظریه ساختار جسم جامد دارای چند نوار است که هر نوار از چند تراز انرژی تشکیل شده است که الکترون ها بر این تراز های انرژی قرار می گیرند و با صرف انرژی برابر اختلاف انرژی دو تراز موجود، الکترون به ترازهای بالاتر رفته و رسانش الکتریکی صورت می گیرد. بین هر دو نوار انرژی یک منطقه ای است که خالی از الکترون است این ناحیه را گاف انرژی گویند.
همانطور که می دانیم الکترون ها در مدارهای معینی که هر یک انرژی ویژه ای دارند، در اطراف هسته اتم حرکت می کنند. این مقدار انرژی را تراز انرژی آن مدار می گوییم. هنگامیکه همه الکترون ها به ترتیب ترازهای انرژی را از پایین به بالا پر می کنند، می گوییم اتم در حالت پایه خود قرار دارد. از طرف دیگر، الکترون می تواند با جذب مقداری انرژی، تراز خود را ترک کند و به تراز بالاتری که خالی است برود که در این حالت می گوییم اتم برانگیخته شده است. مقدار این انرژی دقیقا برابر مقدار اختلاف انرژی دو تراز است.
حال با توجه به توضیحات گفته شده که فقط برای یک اتم است، نظریه نواری در جامدات را توضیح می دهیم:
در یک جسم جامد مجموعه ای از الکترون ها وجود دارند که تحت تاثیر نیروهای حاصل از هسته های مثبت می باشند ترازهای انرژی الکترون ها در جسم جامد مانند ترازهای انرژی الکترونها در یک اتم مقادیر ویژه ای می باشد یعنی الکترون ها در ترازهای مشخصی قرار می گیرند و در هر تراز فقط یک الکترون می تواند، باشد. در هر نوار تعدادی ترازهای انرژی وجود دارد. ترازهای انرژی الکترون ها در جسم جامد، از نظر مقدار انرژی بسیار به هم نزدیک اند. در فاصله بین نوارها، هیچ تراز انرژی وجود ندارد، یعنی الکترون ها در این فاصله نمی توانند قرار بگیرند. این ناحیه را ناحیه ممنوع یا گاف انرژی می گوییم.
در جسم جامد الکترون ها به ترتیب از پایین ترین تراز انرژی در پایین ترین نوار توزیع می شوند. از آنجایی که در هر تراز انرژی فقط یک الکترون می تواند قرار بگیرد، ترازهای انرژی به ترتیب توسط الکترون ها پر می شوند تا یک نوار انرژی کاملا پر شود. الکترون های بعدی در ترازهای انرژی نوار بالاتر قرار می گیرند و این ماجرا ادامه می یابد تا همه الکترون ها در ترازهای انرژی جا بگیرند. بدین ترتیب آخرین نوار انرژی یا کاملا از الکترون پر است و یا نیمه پر است. واضح است نوارهای انرژی پایین تر همگی پر هستند و نوارهای انرژی بالاتر همگی خالی هستند.
الکترون ها با جذب مقداری انرژی می توانند از یک تراز پایین تر به تراز بالاتر رفته، که این مقدار انرژی برابر اختلاف انرژی دو تراز می باشد شرط گذار الکترون ها از یک تراز به تراز دیگر در یک نوار در صورتی است که آن نوار نیمه پر باشد، چون الکترون ها فقط می توانند به ترازهای انرژی بالاتر در همان نوار گذار کنند و گذار از یک نوار به نوار بالاتر در شرایط معمولی امکان پذیر نیست.
در ادامه با توجه به نظریه نواری گفته شده رسانندگی در جامدات را شرح می دهیم:
اگر در ساختار نواری جسم جامد، نوار نیمه پر وجود داشته باشد، آن جسم رسانا است. زیرا الکترون های نوار نیمه پر به آسانی و تحت تاثیر اختلاف پتانسیل الکتریکی که دو سر رسانا اِعمال می شود، می توانند تراز انرژی خود را تغییر دهند و در رسانایی الکتریکی شرکت کنند. این الکترون ها را الکترون های رسانش و نوار نیمه پر را نوار رسانش می گوییم. در مواد نارسانا نوار نیمه پر وجود ندارد و الکترون ها در نوار های پری قرارگرفته اند که امکان جابه جایی آنها وجود ندارد و گاف انرژی خیلی بزرگ است به گونه ای که الکترون نمی تواند از نوار پر به نوار خالی رود ولی در ساختار نواری جامدات نیمه رسانا، همانند نارسانا، نوار نیمه پر وجود ندارد. اما گاف انرژی در نیمه رساناها بسیار کمتر از نارساناها است. در نیمه رسانا، بالاترین نوار پر را نوار ظرفیت و پایین ترین نوار خالی را نوار رسانش می گوییم. کوچک بودن گاف انرژی در جامدات نیمه رسانا موجب می شود که تعدادی از الکترون های نوار ظرفیت حتی در دمای اتاق برانگیخته شده، به نوار رسانش بروند و در رسانایی الکتریکی شرکت کنند.
