Teoria pasmowa ciała stałego jest naturalną konsekwencją kwantowego modelu
budowy atomu. Jak wiadomo w modelu tym stany elektronów w atomie nie są
dowolne, lecz określone są przez tzw kwantowe reguły wyboru. Jedną z
konsekwencji tej teorii jest to, że jeden poziom energetyczny mogą zajmować
nie więcej niż dwa elektrony i to różniące się własnym momentem pędu
(spinem). Innymi słowy, nie może zdarzyć się sytuacja, aby więcej niż dwa elektrony miały taką samą energię, a te elektrony, które mają równe energie wirują w przeciwne strony. Mówimy, że dozwolone poziomy energetyczne elektronów są dyskretne, to znaczy, że enegie elektronów nie mogą różnić się dowolnie mało, gdyż tylko pewne wartości energii są dla elektronów "udostępnione" przez prawa fizyki .
W przypadku ciała stałego struktura energetyczna jest bardziej
skomplikowana. Po pierwsze, elektrony oddziaływują nie tylko z jądrem i
elektronami własnego atomu lecz znajdują się w polu krystalicznym
będącym wypadkową wszystkich oddziaływań jąder i elektronów. W rezultacie
dyskretne poziomy energetyczne dozwolone "rozmywają się" tworząc tzw pasma
energetyczne. W ramach takiego pasma elktrony mogą przyjmować praktycznie
dowolne wartości energii (oczywiście pod warunkiem, że równocześnie tej samej
energii nie przyjmują więcej niż dwa elektrony). Takich pasm energetycznych
może być wiele, ale przedzielone są one tzw pasmami wzbronionymi.
Pasma wzbronione, nazywane też przerwami energetycznymi, są to
zakresy energii, których elektronom nie wolno zajmować. Na wykresie
energetycznym można to przedstawić tak jak poniżej.
Niższe pasma energetyczne są zazwyczaj zapełnione, to znaczy wszystkie
możliwe energie tych pasm są wykorzystane przez elektrony. Zatem elektrony z
tych pasm nie mogą zmieniać swych energii. Byłoby to możliwe, gdyby w pasmie
były jakieś wolne poziomy energetyczne, nie zajęte przez inne elektrony.
Taka sytuacja jest możliwa w najwyższych, częsciowo zapełnionych pasmach.
Należy jednak zwrócić uwagę, że sytuacja jest różna w zależności od tego, czy
omawiane ciało jest przewodnikiem, półprzewodnikiem czy
dielektrykiem.
-Dielektryki charakteryzują się tym, że szerokość przerwy
energetycznej jest duża, a przy tym wszystkie pasma są w całkowicie
zapełnione.
-Przewodniki z kolei mają bardzo wąskie pasma wzbronione
tak, że czasami pasma przewodnictwa praktycznie zachodzą na siebie i
elektrony z górnych pasm swobodnie mogą zmieniać swoją energię.
-Połprzewodniki charakteryzują się pośrednią wartoscią
przerwy energetycznej. Prowadzi to do tego, że część elektronów z
najwyższego pasma może przeskoczyć przez pasmo wzbronione do następnego pasma
dozwolonego, w którym jest wiele wolnych poziomów i w ramach którego
elektron może przemieszczać się już swobodnie.
W temperaturze bliskiej zera absolutnego półprzewodnik zachowuje się tak jak
izolator, to znaczy ma bardzo dużą oporność. Po prostu wszystkie pasma są
zapełnione. Aby elektron mógł przeskoczyć do pasma przewodnictwa musi
uzyskać energię wyższą niż szerokość przerwy energetycznej. Najprościej
dostarczyć mu tę energię podgrzewając półprzewodnik lub np oswietlając go
swiatłem o odpowiednio dużej energii kwantów.
Warto jeszcze omówić
mechanizm przewodzenia prądu na gruncie teorii
pasmowej. Gdy przykładamy do przewodnika bądź półprzewodnika napięcie,
elektrony są przyspieszane polem elektrycznym, pobierajac od tego pola
energię, co na wykresie energetycznym przedstawić można jako przemieszczanie
się elektronu ku górze w obrębie pasma.
Taką możliwość mają oczywiście tylko elektrony z pasma przewodnictwa, bo
pasma walencyjne są zapełnione. W którymś momencie elektron ulega
oczywiście rozproszeniu, zderząjac się z jonem sieci krystalicznej. Traci
przy tym energię, czyli "spada" na dół pasma, skąd znowu może być przyspieszany itd.
Energię od pola elektrycznego elektron pobiera w spósob ciągły, dlatego może
się dzięki niej przemieszczać w ramach pasma, a nie może przeskoczyć do
następnego pasma, gdyż to wymaga dużej porcji energii (większej niż
szerokość pasma).