Базовая электроника — энергетические полосы

В газообразных веществах расположение молекул не близко. В жидкостях молекулярное расположение умеренное. Но в твердых телах молекулы расположены настолько близко, что электроны в атомах молекул имеют тенденцию двигаться в орбитали соседних атомов. Следовательно, электронные орбитали перекрываются, когда атомы собираются вместе.

Из-за смешивания атомов в твердых телах вместо отдельных энергетических уровней будут образовываться полосы энергетических уровней. Эти наборы уровней энергии, которые плотно упакованы, называются энергетическими полосами .

Valance Band

Электроны движутся в атомах на определенных энергетических уровнях, но энергия электронов в самой внутренней оболочке выше, чем в самой внешней оболочке электронов. Электроны, которые присутствуют в самой внешней оболочке, называются Электронами Валанса .

Эти валентные электроны, содержащие ряд энергетических уровней, образуют энергетическую зону, которая называется валентной зоной. Валентная зона — это полоса, имеющая наибольшую занятую энергию .

Зона проводимости

Валентные электроны настолько слабо связаны с ядром, что даже при комнатной температуре лишь немногие из валентных электронов покидают зону, чтобы быть свободными. Они называются свободными электронами, поскольку они имеют тенденцию двигаться к соседним атомам.

Эти свободные электроны являются теми, которые проводят ток в проводнике и, следовательно, называются электронами проводимости . Зона, которая содержит электроны проводимости, называется зоной проводимости. Зона проводимости — это зона с наименьшей занимаемой энергией .

Запрещенный пробел

Разрыв между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной энергетической щелью . Как следует из названия, эта группа запрещена без энергии. Следовательно, электрон не остается в этой полосе. Валентные электроны, переходя в зону проводимости, проходят через это.

Запрещенная энергетическая щель, если она больше, означает, что электроны в валентной зоне тесно связаны с ядром. Теперь, чтобы вытолкнуть электроны из валентной зоны, требуется некоторая внешняя энергия, которая будет равна запрещенной запрещенной зоне.

На следующем рисунке показана зона валентности, зона проводимости и запрещенная зона.

В зависимости от размера запрещенной зоны образуются изоляторы, полупроводники и проводники.

Изоляторы

Изоляторы — это такие материалы, в которых проводимость не может иметь место из-за большого запрещенного зазора. Примеры: Дерево, Резина. Структура энергетических зон в изоляторах показана на следующем рисунке.

Характеристики

Ниже приведены характеристики изоляторов.

• Запрещенная энергетическая щель очень велика.

• Электроны зоны валентности тесно связаны с атомами.

• Значение запрещенной запрещенной зоны для изолятора будет составлять 10 эВ.

• Для некоторых изоляторов при повышении температуры они могут показывать некоторую проводимость.

• Удельное сопротивление изолятора будет порядка 107 Ом.

Запрещенная энергетическая щель очень велика.

Электроны зоны валентности тесно связаны с атомами.

Значение запрещенной запрещенной зоны для изолятора будет составлять 10 эВ.

Для некоторых изоляторов при повышении температуры они могут показывать некоторую проводимость.

Удельное сопротивление изолятора будет порядка 107 Ом.

Полупроводники

Полупроводники — это такие материалы, в которых запрещенная энергетическая щель мала, и проводимость происходит, если приложена некоторая внешняя энергия. Примеры: кремний, германий. На следующем рисунке показана структура энергетических зон в полупроводниках.

Характеристики

Ниже приведены характеристики полупроводников.

• Запрещенная энергетическая щель очень мала.

• Запрещенная щель для Ge составляет 0,7 эВ, тогда как для Si — 1,1 эВ.

• Полупроводник на самом деле не является ни изолятором, ни хорошим проводником.

• С ростом температуры проводимость полупроводника увеличивается.

• Проводимость полупроводника будет порядка 102 МОм.

Запрещенная энергетическая щель очень мала.

Запрещенная щель для Ge составляет 0,7 эВ, тогда как для Si — 1,1 эВ.

Полупроводник на самом деле не является ни изолятором, ни хорошим проводником.

С ростом температуры проводимость полупроводника увеличивается.

Проводимость полупроводника будет порядка 102 МОм.

Проводники

Проводники — это такие материалы, в которых запрещенная запрещенная зона исчезает, когда валентная зона и зона проводимости становятся очень близкими, так что они перекрываются. Примеры: Медь, Алюминий. На следующем рисунке показана структура энергетических зон в проводниках.

Характеристики

Ниже приведены характеристики проводников.

• В проводнике нет запрещенного зазора.

• Зона валанса и зона проводимости перекрываются.

• Свободных электронов для проводимости достаточно.

• Небольшое увеличение напряжения, увеличивает проводимость.

• Нет концепции образования дырок, поскольку непрерывный поток электронов вносит ток.

В проводнике нет запрещенного зазора.

Зона валанса и зона проводимости перекрываются.

Свободных электронов для проводимости достаточно.

Небольшое увеличение напряжения, увеличивает проводимость.

Нет концепции образования дырок, поскольку непрерывный поток электронов вносит ток.

Важные условия

Здесь необходимо обсудить несколько важных терминов, прежде чем мы перейдем к последующим главам.

Текущий

Это просто поток электронов. Непрерывный поток электронов или заряженных частиц можно назвать током. На это указывает я или я . Измеряется в амперах . Это может быть переменный ток постоянного или постоянного тока.

вольтаж

Это разность потенциалов. Когда возникает разность потенциалов между двумя точками, говорят, что существует разница напряжений, измеренная между этими двумя точками. На это указывает V. Измеряется в вольтах .

сопротивление

Это свойство противодействия потоку электронов. Владение этим свойством можно назвать сопротивлением. Это будет обсуждаться позже подробно.

Закон Ома

С условиями, обсужденными выше, у нас есть стандартный закон, который очень важен для поведения всех электронных компонентов, названный Законом Ома. Это устанавливает связь между током и напряжением в идеальном проводнике.

Согласно закону Ома, разность потенциалов на идеальном проводнике пропорциональна току, проходящему через него.

V альфаI $$V \: \ альфа \: \: I$$

Идеальный проводник не имеет сопротивления. Но на практике каждый проводник имеет некоторое сопротивление. По мере увеличения сопротивления падение потенциала также увеличивается и, следовательно, увеличивается напряжение.

Следовательно, напряжение прямо пропорционально сопротивлению, которое оно предлагает .

V альфаR $$V \: \ альфа \: \: R$$

$$V = IR$$

Но ток обратно пропорционален сопротивлению .

V альфаI альфа гидроразрыва1R $$V \: \ альфа \: \: I \: \ альфа \: \: \ гидроразрыва {1} {R}$$

$$I = V / R$$

Следовательно, на практике закон Ома может быть сформулирован как —

Согласно закону Ома, ток, протекающий через проводник, пропорционален разности потенциалов через него и обратно пропорционален сопротивлению, которое он предлагает.

Этот закон полезен при определении значений неизвестных параметров среди трех, которые помогают анализировать схему.