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Energiebändermodell einfach erklärt
Mit dem Energiebändermodell kannst Du erklären, warum ein Leiter Strom leitet und warum ein Nichtleiter – oder Isolator – das nicht kann.
Das Energiebändermodell unterteilt die Charakteristik der elektrischen Leitfähigkeit in Leitungsband, Valenzband und Bandlücke – oder Energielücke. Somit kann ein Stoff in Leiter, Halbleiter und Nichtleiter unterteilt werden.
Damit ein Stoff elektrischen Strom leiten kann, benötigt er frei bewegliche Elektronen. Dafür eignen sich immer nur die Valenzelektronen eines Stoffes. Valenzelektronen sind im Grunde die Elektronen eines Elements, die sich auf der äußersten Schale befinden.
Für mehr Informationen dazu kannst Du Dir die Erklärung zur Atomhülle anschauen.
Die Valenzelektronen eines Stoffes befinden sich zunächst grundsätzlich im Valenzband. Hier werden sie jedoch als unbeweglich angesehen. Um beweglich zu werden und somit elektrischen Strom leiten zu können, müssen sie irgendwie in das Leitungsband kommen. Das heißt aber auch, dass die Valenzelektronen die Energielücke überwinden müssen.
Die Energielücke ist bei jedem Stoff unterschiedlich groß, deswegen unterscheiden sich die Energiebändermodelle ebenfalls. Sie können dennoch jeweils für einen Leiter, Halbleiter und Nichtleiter verallgemeinert werden.
Energiebändermodell Analyse
Das Energiebändermodell ist ein grundlegender Teil des Orbitalmodells. Dieses Modell beschreibt das heutige Verständnis der Menschen, wie ein Atom aufgebaut ist. Hierbei befinden sich die Elektronen in sogenannten Orbitalen. Jedes Orbital hat einen unterschiedlichen Energiezustand.
Die unterschiedlichen Energiezustände entstehen durch die elektromagnetischen Wechselwirkungen der Teilchen eines Atoms untereinander. Dabei werden die Energiezustände eher zu Energiebereichen – den Energiebändern.
Für mehr Informationen dazu besuche die Erklärung zur Orbitalstruktur.
Die unterschiedlichen Bändermodelle für die unterschiedlichen Leitertypen kannst Du Dir folgendermaßen vorstellen:
Abb. 1 - Energiebändermodell für Leiter, Halbleiter und Nichtleiter.
In allen drei Fällen unterteilst Du das Modell in Leitungsband und Valenzband. Zwischen den beiden Bändern befindet sich die Energielücke. Die Energielücke ist bei einem Leiter gar nicht vorhanden, deswegen treffen hier Leitungsband und Valenzband aufeinander. Beide Bänder sowie die Energielücke befinden sich energetisch auf unterschiedlichen Energieniveaus. Das Leitungsband hat ein höheres Energieniveau als das Valenzband.
Energiebändermodell Valenzband
Valenzelektronen befinden sich zunächst im sogenannten Normalzustand. Im Normalzustand hat ein Elektron keine zusätzliche Energie aufgenommen. Energetisch befindet sich dieser Zustand immer im Valenzband.
Das Valenzband ist im Orbitalmodell das letzte, mit Elektronen besetzte, Energieband. Es ist also immer mit den Valenzelektronen eines Atoms gefüllt, wodurch es seinen Namen erhielt.
Dadurch, dass das Valenzband das letzte besetzte Energieband eines Atoms ist, hat es ebenfalls das höchste Energieniveau, auf dem sich Elektronen ohne Energiezufuhr befinden können.
Durch Energiezufuhr, etwa Erhitzen oder Lichteinstrahlung, kann ein Valenzelektron Energie aufnehmen. Hierbei nimmt es nur so viel Energie auf, wie es benötigt, um auf ein höheres Energieniveau gehoben zu werden. Diesen Energiezustand nennst Du auch „angeregter Zustand“. Über einen angeregten Zustand kann ein Elektron die Energielücke überwinden.
Energiebändermodell Energielücke
Die Energielücke im Energiebändermodell ist bei allen elektrischen Leitertypen unterschiedlich groß.
Halbleiter und Nichtleiter besitzen nach dem Energiebändermodell eine Energielücke zwischen Leitungsband und Valenzband. Die Elektronen eines Atoms können sich somit nicht ohne Weiteres in der Energielücke befinden.
Das Energieniveau eines angeregten Zustands befindet sich bei Halbleitern im Leitungsband. Bei einem Nichtleiter ist die Energielücke so groß, sodass selbst angeregte Elektronen das Leitungsband nicht erreichen können.
Energiebändermodell Leitungsband
Nach dem Orbitalmodell ist das Leitungsband das erste unbesetzte Energieband eines Atoms.
Elektronen, die ein Energieniveau im Leitungsband erreichen können, sind frei beweglich. Dadurch kann ein Stoff Strom leiten und ist somit ein elektrischer Leiter oder Halbleiter.
Für welche Stoffe trifft eigentlich welches Energiebändermodell zu?
Energiebändermodell Beispiele
Durch die unterschiedlichen Charakteristiken von Leitern, Halbleitern und Nichtleitern verhält sich deren elektrische Leitfähigkeit durch äußere Einflüsse, wie Hitze, anders. Diese Unterschiede können auch an den unterschiedlichen Energiebändermodellen erklärt werden.
Energiebändermodell Natrium
Natrium gehört zu den Metallen und ist ein Leiter. Das Energiebändermodell für Natrium kann also verallgemeinert für alle echten Metalle verwendet werden. Metalle bilden eine sogenannte Metallgitterstruktur.
Die Atomkerne – auch Atomrümpfe genannt – sind in dieser Struktur regelmäßig angeordnet. Die Valenzelektronen sind hier nur sehr schwach gebunden und somit frei beweglich. Die Elektronen bilden gewissermaßen eine bewegliche Elektronenwolke.
In der Erklärung zu Leitern erfährst Du mehr dazu.
Für das Energiebändermodell heißt das, dass der Energieunterschied zwischen Valenzband und Leitungsband so gering ist, sodass sie sich teilweise überlappen. Hier kann also keine Energielücke entstehen.
Abb. 2 - Energiebändermodell für Leiter.
Durch das Fehlen der Energielücke benötigt ein Leiter auch keine Energiezufuhr durch Wärme, um leiten zu können. Die Energiezufuhr hat hier tatsächlich einen negativen Effekt. Die überschüssige Energie lässt die Atomkerne des Leiters schwingen. Dadurch nehmen sie den Elektronen Platz weg. Die Elektronen können sich somit nicht mehr so gut bewegen. Folglich nimmt bei Leitern die elektrische Leitfähigkeit durch Energiezufuhr ab.
Mit dem Energiebändermodell für Halbleiter kannst Du die Leitfähigkeit vieler elektrischer Geräte erklären. Das Hauptmaterial hierbei ist das Silizium.
Energiebändermodell Silizium
Das Halbmetall Silizium befindet sich in der vierten Hauptgruppe der Elemente und wird am häufigsten als Halbleiter eingesetzt. Du findest es etwa in Solarzellen wieder oder überall, wo LEDs verbaut sind. Tatsächlich eignen sich auch die anderen Elemente der vierten Hauptgruppe als Halbleiter, wie das Germanium. In der Struktur dieser Elemente sind nahezu alle Elektronen fest gebunden und unbeweglich.
Abb. 3 - Energiebändermodell für Halbleiter.
Wie bereits beschreiben, nimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern mit der Energiezufuhr zu. Dadurch können Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben werden. Dieser Vorgang kann aber noch mal vereinfacht werden. Die Menschen modifizieren Elemente, die sich als Halbleiter eignen, durch die sogenannte Dotierung.
Die gleichnamige Erklärung zur Dotierung enthält mehr Informationen dazu.
Bei der Dotierung werden der Struktur eines Halbleiters Fremdatome hinzugefügt. Die Fremdatome bringen Energieniveaus mit sich, die sich zwischen dem Leitungsband und Valenzband, also innerhalb der Energielücke, befinden.
Mit den mit gebrachen Energieniveaus unterscheiden sich ebenfalls die Arten der Dotierung.
Energiebändermodell n-Dotierung
Bei der n-Dotierung bringt das Fremdatom ein zusätzliches Elektron mit sich, welches ein Energieniveau – das Donatorniveau – unterhalb des Leitungsbandes hat. Dadurch benötigt es weniger zusätzliche Energie, um in das Leitungsband überführt zu werden. Außerdem hinterlässt es eine ortsfeste positive Ladung am dotierten Atom.
Abb. 4 - Energiebändermodell n-dotierter Halbleiter.
Die Struktur der Halbleiter und was es mit den Ladungen auf sich hat, wird in der Erklärung zur Dotierung ebenfalls besprochen.
Beachte, dass bei der Dotierung dem Halbleiter viele Fremdatome hinzugefügt werden. Es befinden sich nun also genug Elektronen im Leitungsband, um Strom zu leiten.
Energiebändermodell p-Dotierung
Bei der p-Dotierung hat das Fremdatom, im Vergleich zu dem Ursprungselement, etwa Silizium, ein Elektron weniger. Dadurch entsteht ein Energieniveau – das Akzeptorniveau, oder Defektelektron – in der Nähe des Valenzbandes. Die Elektronen aus dem Valenzband können folglich mit nur wenig zusätzlicher Energie dieses Energieniveau besetzen. Sie hinterlassen dabei eine positive Ladung – oder auch ein „Loch“.
Die Leitfähigkeit bei einem p-dotierten Halbleiter kommt daher, dass nun Energieniveaus im Valenzband frei geworden sind. Diese können mit wenig Hilfe von zusätzlicher Energie durch die anderen bereits vorhandenen Elektronen besetzt werden. Hier wird also das Valenzband leitfähig gemacht.
Abb. 5 - Energiebändermodell p-dotierter Halbleiter.
Bei Solarzellen und LEDs werden ebenfalls dotierte Halbleiter verwendet.
Kann ein Nichtleiter dann nicht auch mit genug Energiezufuhr oder Dotierung leitfähig gemacht werden?
Nichtleiter Energiebändermodell
Dass ein Nichtleiter nicht leitfähig gemacht werden kann, ist tatsächlich nicht ganz richtig, es ist nur sehr unpraktisch und ist bisher als unbrauchbar angesehen.
Abb. 6 – Energiebändermodellvergleich von Halbleiter und Nichtleiter.
Der Energieunterschied und somit die Größe der Energielücke eines Nichtleiters im Vergleich zum Halbleiter ist immens. Bei einem Nichtleiter benötigst Du viel zu viel Energie, um die Valenzelektronen in das Leitungsband zu befördern. Die aufgebrachte Energie kann weiterhin dazu frühen, dass das Material beschädigt und somit unbrauchbar wird. Glas wiederum ist zum Beispiel ein Isolator, der ab einer bestimmten Temperatur elektrisch leitend wird.
Trotzdem lohnt sich eine Dotierung durch die große Energielücke nicht. Halbleiter sind dafür grundlegend besser geeignet.
Energiebändermodell – Das Wichtigste
- Energiebändermodell kann Stoffe in Leiter, Halbleiter und Nichtleiter unterteilen.
- Charakteristik der elektrischen Leitfähigkeit wird in Valenzband, Leitungsband und Energielücke aufgetrennt.
- Valenzband ist das letzte, mit Elektronen besetzte Energieband.
- Leitungsband ist das erste unbesetzte Energieband.
- Valenzelektronen befinden sich im Valenzband, sind unbeweglich.
- Sie können keinen Strom leiten.
- Elektronen im Leitungsband sind beweglich.
- Sie können Strom leiten.
- Valenzelektronen können Energie aufnehmen.
- Valenzelektronen benötigen zusätzliche Energie, um aus Valenzband in Leitungsband gehoben zu werden.
- Bändermodell von Leitern hat keine Energielücke.
- Das Valenzband und Leitungsband überschneidet sich teilweise.
- Bändermodell von Halbleiter hat eine überwindbare Energielücke.
- Halbleiter können durch Energiezufuhr leitfähig gemacht werden.
- Nötige Energie kann durch Dotierung herabgesetzt werden.
- Bändermodell von Nichtleitern hat eine unüberwindbare Energielücke.
- Energiezufuhr kann Material beschädigen und unbrauchbar machen.
- Dotierung lohnt sich nicht, weil Halbleiter existieren.
Nachweise
- Degruyter.com: Elektronenbändermodell der Metalle (07.10.2022)
- Chemie.de: Bändermodell (07.10.2022)
- Spektrum.de: Bändermodell (07.10.2022)
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Energiebändermodell
Welche Metalle sind Halbleiter?
Als Halbleiter eignen sich Elemente der vierten Hauptgruppe des Periodensystems wie das Halbmetall Silizium oder Germanium. In dieser Hauptgruppe befinden sich ebenfalls die Metalle Zinn und Blei.
Was versteht man unter einem Energieband?
Energiebänder beschreiben die unterschiedlichen Energiezustände der Elektronen in Orbitalen eines Atoms. Das letzte besetzte Energieband bezeichnest Du als Valenzband. Das erste nicht besetzte Energieband nennst Du Leitungsband.
Was ist das Bändermodell bei elektrischen Leitungsvorgängen?
Das Bändermodell kann durch die Auftrennung der elektrischen Leitfähigkeit von Feststoffen in Leitungsband, Valenzband und Energielücke die Eignung dieser Feststoffe als Leiter, Halbleiter und Nichtleiter anschaulich darstellen.
Wie entstehen Energiebänder?
Energiebänder entstehen durch die elektromagnetische Wechselwirkung der Teilchen eines Atoms untereinander. Dabei verschieben sich die Energieniveaus mehr hin zu Energiebereichen – den Energiebändern.
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