Число электронов во внешнем кольце атома все еще является причиной разницы между проводниками и изоляторами. Как мы знаем, твердые материалы в основном используются в электрических устройствах для осуществления электронной проводимости. Эти материалы могут быть разделены на проводники, полупроводники и изоляторы.
Однако проводники, полупроводники и изоляторы дифференцированы по диаграммам уровней энергии. Количество энергии, необходимое, чтобы заставить электрон покинуть свою валентную зону и перейти в проводимость, будет учтено здесь. Диаграмма представляет собой совокупность всех атомов в материале. Диаграммы энергетических уровней изоляторов, полупроводников и проводников показаны на следующем рисунке.
Валентная группа
Нижняя часть — валентная зона . Он представляет уровни энергии, наиболее близкие к ядру атома, а уровни энергии в полосе валентности содержат правильное количество электронов, необходимое для уравновешивания положительного заряда ядра. Таким образом, эта полоса называется заполненной полосой .
В валентной зоне электроны тесно связаны с ядром. Двигаясь вверх на энергетическом уровне, электроны более легко связаны на каждом последующем уровне к ядру. Нелегко беспокоить электроны на энергетических уровнях ближе к ядру, поскольку их движение требует больших энергий, и каждая электронная орбита имеет отдельный энергетический уровень.
Зона проводимости
Верхняя или крайняя полоса на диаграмме называется зоной проводимости . Если у электрона есть энергетический уровень, который лежит в этой полосе, и он может свободно перемещаться в кристалле, то он проводит электрический ток.
В полупроводниковой электронике нас интересуют в основном валентная зона и зона проводимости. Ниже приведены некоторые основные сведения об этом —
-
Валентная зона каждого атома показывает энергетические уровни валентных электронов во внешней оболочке.
-
Определенное количество энергии должно быть добавлено к валентным электронам, чтобы заставить их войти в зону проводимости.
Валентная зона каждого атома показывает энергетические уровни валентных электронов во внешней оболочке.
Определенное количество энергии должно быть добавлено к валентным электронам, чтобы заставить их войти в зону проводимости.
Запретный разрыв
Валентная зона и зона проводимости разделены промежутком, где бы он ни находился, который называется запрещенной зоной. Чтобы преодолеть запрещенный промежуток, необходимо определенное количество энергии. Если этого недостаточно, электроны не выпускаются для проводимости. Электроны будут оставаться в валентной зоне, пока они не получат дополнительную энергию, чтобы пересечь запрещенную щель.
Состояние проводимости конкретного материала может указываться шириной запрещенного зазора. В атомной теории ширина щели выражается в электрон-вольтах (эВ). Вольт электрона определяется как количество энергии, полученной или потерянной, когда электрон подвергается разности потенциалов в 1 В. Атомы каждого элемента имеют разное значение уровня энергии, которое допускает проводимость.
Обратите внимание, что запрещенная область изолятора является относительно широкой. Чтобы заставить изолятор войти в проводимость, потребуется очень большое количество энергии. Например, тирит.
Если изоляторы работают при высоких температурах, повышенная тепловая энергия заставляет электроны валентной зоны перемещаться в зону проводимости.
Как видно из диаграммы энергетических зон, запрещенная зона полупроводника намного меньше, чем у изолятора. Например, кремнию необходимо набрать 0,7 эВ энергии, чтобы войти в зону проводимости. При комнатной температуре добавление тепловой энергии может быть достаточным, чтобы вызвать проводимость в полупроводнике. Эта особенность имеет большое значение в твердотельных электронных устройствах.
В случае проводника зона проводимости и валентная зона частично перекрывают друг друга. В некотором смысле, нет запрещенного разрыва. Следовательно, электроны валентной зоны способны высвобождаться, превращаясь в свободные электроны. Обычно при нормальной комнатной температуре в проводнике происходит небольшая электрическая проводимость.