Kodėl kai kurios medžiagos gerai tinka saulės elementams arba šviesos diodams, dar vadinamais LED (light emitting diodes) gaminti, o kitos – ne?
Viena iš pagrindinių charakteristikų, nulemiančių reikiamas medžiagos savybes, yra tos medžiagos elektronų draustinės energijos juosta.
Ji ir nulemia, kaip elgsis elektronai ir kiek energijos reikia jiems sužadinti.
Elektronai – subatominės dalelės, kurios turi neigiamą krūvį ir skrieja aplink atomo branduolį. Kai dalis elektronų ima judėti viena kryptimi, jie sukuria elektros srovę.
Elektronai gali turėti tam tikras būsenas, apibūdinamas energijos lygmeniu, impulsu ir sukiniu, tačiau pagal keistas kvantinės mechanikos taisykles du elektronai negali būti toje pačioje būsenoje vienu metu – bent vienas šių kintamųjų privalo skirtis.
Kai kurios būsenos yra leistinos, o kai kurios – ne, tai taip pat nustato kvantinės mechanikos dėsniai.
Elektronai, esantys juostose arčiausiai atomo branduolio, vadinamose pagrindiniais lygmenimis, yra tvirtai susieti su branduoliu ir negali atitrūkti. Tolimiausias nuo branduolio stabilus lygmuo vadinamas valentine juosta, o sekantis – laidumo juosta: joje esantys elektronai gali pereiti iš vieno atomo į kitą.
Kai kurių medžiagų, vadinamų metalais, valentinės ir laidumo juostos persikloja, ir dalis elektronų gali judėti medžiaga.
Kitose medžiagose, vadinamose izoliatoriais, yra didelė draustinės energijos juosta tarp valentinės juostos ir laidumo juostų, todėl beveik neįmanoma sužadinti elektronų taip, kad jie galėtų peršokti į kitus atomus, todėl izoliatoriai nepraleidžia elektros srovės.
Yra ir trečioji medžiagų kategorija – tai medžiagos, kurios draustinės energijos juosta tarp valentinės juostos ir laidumo juostų yra nedidelė, ir jos vadinamos puslaidininkiais.
Kartais jos elgiasi kaip metalai, kartais – kaip izoliatoriai. Kuomet puslaidininkiai buvo atrasti, jie buvo laikomi nenaudinga medžiaga elektrotechnikai, bet viskas pasikeitė, kuomet mokslininkai išsiaiškino draustinės juostos paslaptis.
Tokiose medžiagose sužadinus elektronus (tai galima padaryti, medžiagą šildant arba apšviečiant šviesa – fotonų srautu) jie gali peršokti šią juostą. Jei elektronas kristale paveikiamas pakankamos energijos fotono, jis gali iš valentinės juostos peršokti į laidumo juostą, ir tuomet laisvai judėti, kurdamas elektros srovę.
Silicio draustinė juosta yra būtent tokio pločio, kad matomos šviesos fotonų energijos pakanka sužadinti elektronams, todėl silicis – viena iš puslaidininkinių medžiagų, plačiai naudojamų saulės elementų gamyboje. Saulės elementuose toks procesas ir vyksta.
Tas pats procesas gali vykti ir atvirkščia kryptimi – elektros srovei tekant puslaidininkiu, elektronai gali sugrįžti į valentingumo juostą ir išspinduliuoti fotoną, kurio spalva bus nulemta draustinės juostos pločio. Būtent šiuo procesu ir yra pagrįstas šviesos diodų, naudojamų kompiuterių ir telefonų ekranuose, apšvietimo sistemose, įvairiausiuose optoelektriniuose prietaisuose, veikimas.
