পরমাণুর শক্তির পাল্লা

যেকোনো মৌলের পরমানুর কেন্দ্রে বা নিউক্লিয়াসে Proton এবং নিউট্রন থাকে। এছাড়া নিউক্লিয়াসের চারপাশে কিছু কক্ষপথ বা Orbit থাকে যেখানে সবসময় পরমানুর electron গুলো চলাচল করে। পরমানুর একদম শেষের অরবিটালে যে electron গুলো থাকে তারা অন্য পরমানুর সাথে electron শেয়ার করে কিংবা আদান প্রদান করে একটা বন্ধন বা Bond তৈরি করে। এই ইলেকট্রনদের Valence Electron বলে। 

অর্থাৎ

পরমানুর একদম বাইরের অরবিটের electron কে Valence electron বলে। এরা অন্য atom বা পরমানুর সাথে বিভিন্ন bond তৈরি করার মাধ্যমে যুক্ত হতে পারে।

পরমানুর সর্বশেষ অরবিটে দুটো Band বা সীমা থাকে। একটা Valence Band, আরেকটা Conduction Band. একটা electron যখন Valence band এর মধ্যে থাকে তখন সেটি নড়াচড়া করতে পারে না, অন্য কোনো পরমানুতে যেতে পারে না। কিন্তু যেসব electron conduction band এর মধ্যে থাকে তারা সহজেই এক atom থেকে অন্য atom এর কাছে যেতে পারে।

গ্রাফিক্যালি সবসময় conduction band এবং valence band এর মধ্যে কিছুটা distance (দুরত্ব) থাকে। ফলে Valence electron গুলো যখন এই distance পার হয়ে conduction band-এ যায় তখন তারা চলাচল করতে পারে।

Valence band এবং Conduction band এর মধ্যবর্তী ফাঁকা জায়গা বা (Gap)-কে Energy Band Gap বা Forbidden Gap বলে।

একটা পরমানুর একই orbital বা শক্তিস্তরে অনেকগুলা electron থাকে কিন্তু তাদের কারো energy বা শক্তি সমান থাকে না। একেকটা electron এর শক্তি একেক রকম হয়। Electron এর শক্তির এই সীমা বা রেঞ্জকে শক্তির পাল্লা বা Energy Band বলা হয়।

কোনো পরমানুতে Energy Band তিন ধরনের দেখা যায়-

i. যোজন ব্যান্ড / valence Band

পরমানুর সবচেয়ে বাইরের অরবিটের electron কে যোজন বা valence electron বলে। এই electron গুলোর শক্তির সীমা বা শক্তির রেঞ্জকে Conduction Band বলে।

ii. পরিবহণ ব্যান্ড / Conduction Band

যেসব electron গুলো পরমানুতে চলাচল করে এবং অন্য পরমানুতে যেতে পারে তাদের শক্তির সীমা বা রেঞ্জকে Conduction Band বলে। কোনো পরমানুর Conduction band এর মধ্যে যদি electron থাকে তবে সেই পরমানু পরিবাহী (বা Conductor) হবে। কিন্তু Conduction band এর মধ্যে electron না থাকলে সেই পরমানু হবে অপরিবাহী (বা Insulator) পদার্থ।

iii. নিষিদ্ধ ব্যান্ড / Forbidden Band

Valence band এবং Conduction Band এর মাঝখানে কোনো electron থাকে না। এই জায়গাকে forbidden band বলে।

Conductor, Semiconductor এবং Insulator এই তিন ধরনের পদার্থের Energy Band এর অবস্থা একেক রকম। অবস্থা গুলো হচ্ছে-

Conductor বা পরিবাহী পদার্থের ক্ষেত্রে

Conductor এর ক্ষেত্রে Conduction Band এবং Valence Band এরা দুজন একে অপরকে Overlap করে। অর্থাৎ এদের কোনো মাঝে কোনো Gap থাকে না যাকে Forbidden Gap বলা হয়। তাই Valence Band এর electron গুলো সহজেই conduction band এর মধ্যে চলে আসে, ফলে conductor material দিয়ে সহজেই electron চলাচল করতে পারে।

Semiconductor বা অর্ধপরিবাহী পদার্থের ক্ষেত্রে

Semiconductor Material গুলোতে Valence band এবং conduction band এর মধ্যকার দুরত্ব কম থাকে। অর্থাৎ এদের মধ্যে অল্প পরিমান forbidden gap থাকে।

যদি semiconductor atom এর মধ্যে heat অথবা pressure apply করা হয় তবে valence band থেকে electron গুলো conduction band এর মধ্যে চলে যাবে এবং semiconductor টা তখন conductor material হিসেবে কাজ করবে।

তবে Semiconductor material এর মধ্যে আগে থেকেই কিছু electron থাকে যারা চলাচল করতে পারে।

Insulator বা অপরিবাহী পদার্থের ক্ষেত্রে

Insulator material এর ক্ষেত্রে conduction band এবং valence band পরস্পর থেকে অনেক দূরে থাকে। তাই এতদূর valence band থেকে electron conduction band এর কাছে যেতে পারে না। Insulator material কে যতই heat কিংবা pressure দেয়া হোক না কেনো, এরা কখনো electron কে পরিবহন করে না।

Forbidden Gap কে E0 বা Eg দিয়ে প্রকাশ করা হয়। Insulator Material এর forbidden gap বেশি থাকে বলে এদের valence band থেকে conduction band এর কাছে electron কে নিয়ে যেতে বেশি শক্তি Apply করা লাগে। সেজন্য Inductor এর E0 = 6 eV হয়। যেখানে 1eV = 1.6 x 10^-19 Joule 

অর্থাৎ এই পরিমান শক্তি যদি Valence Band এর electron এর উপর apply করা হয় তবে সেই electron গুলো conduction band এর কাছে চলে যাবে।

Semiconductor এর ক্ষেত্রে forbidden gap এর মান insulator থেকে কিছুটা কম হয়। তাই এদের E0 ~ 1eV এর মত হয়। অর্থাৎ semiconductor গুলোর valence band এর electron কে যদি 1eV এর মত শক্তি দেয়া হয় তবে তাদেরকে conduction band এর কাছে পাঠানো যাবে এবং conductor material-এ রূপান্তর করা যাবে।

যেমন জার্মেনিয়ামের E0 = 0.75eV এবং সিলিকনের E0 = 1.16eV. অর্থাৎ জার্মেনিয়ামের forbidden gap এর মান সিলিকনের থেকেও কম। কারন জার্মেনিয়ামের orbit বা কক্ষপথের সংখ্যা বেশি। তাই জার্মেনিয়াম পরমানুর কেন্দ্রে থাকা নিউক্লিয়াস দ্বারা অরবিটের ইলেকট্রনের আকর্ষণ কম। কিন্তু সিলিকনের অরবিট সংখ্যা কম এবং electron দ্বারা নিউক্লিয়াসের আকর্ষণ বেশি বলে সিলিকনকে বেশি energy দিতে হয় তাকে conductor material বানানোর জন্য।

Conductor এর ক্ষেত্রে valence band এবং conduction band পরস্পর overlap করে বলে এদের electron গুলোকে কোনো এনার্জি দেয়া লাগে না, তাই এদের forbidden gap E0 ~ 0 থাকে।