Dieses Kapitel passt ebenso gut in die Elektronik, wie in den Bereich der Atomphysik. So benötigt man für einen “Stromfluss” frei-bewegliche Ladungsträger, diese können Ionen oder auch Elektronen sind. Dies lässt sich am Beispiel Metall und Salz (im festen Zustand) erkennen. Metall wird aus einem Metallgitter aus positive geladenen Metallatomrümpfen (unbeweglich auf Gitterplätzen fixiert) und dem Elektronengas (delokalisierte Elektronen, verteilt zwischen den Metallatomen im Gitter) aufgebaut, weswegen ein Metall auch im festen Zustand elektrisch leitfähig ist. Salze werden aus positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen aufgebaut. Diese sind aber im festen Zustand auf ihren Gitterplätzen im Ionengitter fixiert und daher ist ein Salz im festen Zustand nicht elektrisch leitfähig (Ladungsträger sind vorhanden, aber keine frei-beweglichen).
Im folgenden soll kurz erklärt werden, welche Möglichkeiten es gibt, frei bewegliche Elektronen zu erzeugen:
Obwohl es sich um scheinbar unterschiedliche Prozesse zur Erzeugung freibeweglicher Elektronen handelt, beruht das Prinzip immer auf dem Gleichen, der Wechselwirkung von Energie mit Elektronen. In allen Fällen wird ein Elektron aus einer Elektronenhülle in einem Atom bzw. aus dem Valenzband oder aus Leitungsband eines Festkörpers gelöst, indem es Energie absorbiert. Durch die zugeführte Energie wird die Wechselwirkung zwischen den positiven Protonen im Atomkern und den negative geladenen Elektronen so abgeschwächt, dass sich die Elektronen aus dem Wirkungskreis der Protonen entfernen können.
In Materialien bezeichnet man Elektronen, die so viel Energie besitzen, dass sie sich vom Einfluss ihrer Atomkerne lösen und sich relativ frei im Material bewegen können, als freie Elektronen.
Die Photonenenergie ist die Energie, die ein einzelnes Lichtquant oder Photon besitzt. Wenn diese Energie ausreicht, um die Bindungsenergie eines Elektrons zu überwinden, kann das Elektron freigesetzt werden und somit ein freies Elektron erzeugen.
Der photoelektrische Effekt ist ein Phänomen, bei dem Elektronen aus einem Material ausgelöst werden, wenn es mit Licht bestrahlt wird. Hierbei werden freie Elektronen erzeugt.
Ionisation ist ein Prozess, bei dem ein Atom oder Molekül ein Elektron verliert und dadurch zu einem Ion wird. Dieser Vorgang setzt freie Elektronen frei.
Die Bindungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von seinem Atomkern zu trennen. Wenn diese Energie überschritten wird, kann ein freies Elektron erzeugt werden.
Thermische Emission, auch als thermionische Emission bekannt, tritt auf, wenn ein Material aufgrund von thermischer Energie Elektronen freisetzt. Solche Elektronen werden als freie Elektronen bezeichnet.
In Halbleitern werden freie Elektronen hauptsächlich durch den thermischen Anregungsprozess erzeugt, bei dem Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband springen.
Das Fermi-Niveau ist das Energieniveau, bei dem die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron zu finden, 50% beträgt. Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt gibt es immer einige Elektronen, die genug Energie haben, um das Fermi-Niveau zu übersteigen und somit freie Elektronen werden.
Die Anzahl der freien Elektronen in einem Material bestimmt dessen elektrische Leitfähigkeit. Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto besser leitet das Material den Strom.
Löcher entstehen in Halbleitern, wenn ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband springt und dabei einen “leeren Platz” im Valenzband hinterlässt. Diese Löcher können sich ebenfalls durch das Material bewegen und tragen somit zur Leitfähigkeit bei.