Tsooniteooria

Tsooniteooria on kvantmehaanika teooria, mis kirjeldab elektronide energiaolekuid ja liikumist kristallistruktuuriga tahkises.

Vaba elektroni energiaspekter on pidev. Kui elektron kuulub aatomi koosseisu, siis on see spekter diskreetne (mittepidev) ja 
energial saavad olla ainult teatud kindlad väärtused. Sel puhul öeldakse, et elektron saab olla teatud energiatasemel ehk kvantmehaanilises energiaolekus. Tahkises moodustavad elektronide energiatasemed nn lubatud tsoone, milleks on valentsitsoon (valentselektronide energiatsoon) ja juhtivustsoon (määrab aine elektrijuhtivuse). Need tsoonid võivad olla teineteisest eraldatud keelutsooniga.

Energiatsoonide moodustumine 
Üksikus isoleeritud (eraldiseisvas) aatomis saab elektroni energia omandada teatud kindla väärtusega tasemeid ehk olekuid; sel kohta öeldakse ka, et elektron võib asuda ühel etteantud orbitaalidest. 
Kui mitu aatomit on ühendatud keemilise sidemega (nagu molekulis), siis on igal aatomil oma orbitaalid ja koos moodustavad nad molekuliorbitaalid. Aatomite süsteemi edasisel kasvamisel makroskoopiliseks, näiteks kristalliks (aatomeid üle 1020), muutub orbitaalide arv väga suureks ja naaberorbitaalide energiaerinevus väga väikseks, nii et orbitaalidest moodustuvad praktiliselt pidevad energiatsoonid.

Energiatsoonid juhtides, pooljuhtides ja mittejuhtides 
Tsoonide paigutus määrab aine elektrijuhtivuse tüübi.

Elektrijuhtides valentsitsoon ja juhtivustsoon osaliselt kattuvad. Seetõttu on elektronidel võimalik nende tsoonide vahel vabalt liikuda, täites juhtivustsooni tühje tasemeid. Elektrijuhile rakendatud potentsiaalide vahe mõjul moodustavad nad elektrivoolu. Elektrijuhtide hulka kuuluvad kõik metallid.

Pooljuhtides tsoonid ei kattu ja nende vahele jääb umbes 1 elektronvoldi laiune keelutsoon. Absoluutse nulli lähedasel temperatuuril juhtivustsoonis elektronid puuduvad. Valentsitsoonis on kõik energiatasemed (-olekud) elektronide poolt hõivatud (elektronidega täielikult täidetud) ja kuna vabad energiatasemed puuduvad, ei saa elektronid liikuda.

Temperatuuri tõustes hakkab soojusliikumise arvel elektronide kineetiline energia kasvama ja osa neist on võimelised siirduma läbi suhteliselt kitsa keelutsooni juhtivustsooni. Lahkunud elektronist jäänud augud valentsitsoonis käituvad nagu positiivse laengu kandjad ja osalevad koos juhtivustsooni elektronidega pooljuhi elektrijuhtivuse suurendamisel.

Pooljuhtidele on seega iseloomulik elektrijuhtivuse tugev temperatuurisõltuvus. Pooljuhi elektrijuhtivust on aga võimalik ka eesmärgipäraselt suurendada, kui keelutsoonis tekitada lubatud energiaolekud legeerimisega, s.t sinna sobiva lisandaine aatomite sisestamise teel (vt Pooljuht). 

Mittejuhtides ehk dielektrikutes on valentsitsoon elektronidega täielikult täidetud. Keelutsoon on lai (kuni 10 eV) ja seetõttu ei suuda elektronid tavatemperatuuridel juhtivustsooni jõuda. Kuna juhtivustsoonis laengukandjaid pole, on dielektrikute elektrijuhtivus nullilähedane. Küllalt kõrgel temperatuuril võivad mittejuhid siiski omandada pooljuhi juhtivusmehhanismi.

Vaata ka 
 Energiatase (kvantfüüsika)

Viited

Välislingid 
 Tõnu Laas. Tahkisefüüsika lühikonspekt
 Pooljuhtide tsooniteooria

Kvantfüüsika