Grundlegende Elektronik - Energiebänder

In gasförmigen Substanzen ist die Anordnung der Moleküle nicht eng. In Flüssigkeiten ist die molekulare Anordnung moderat. In Festkörpern sind die Moleküle jedoch so eng angeordnet, dass die Elektronen in den Atomen der Moleküle dazu neigen, sich in die Orbitale benachbarter Atome zu bewegen. Daher überlappen sich die Elektronenorbitale, wenn die Atome zusammenkommen.

Aufgrund der Vermischung von Atomen in Festkörpern werden anstelle einzelner Energieniveaus Bänder von Energieniveaus gebildet. Diese dicht gepackten Energieniveaus werden als bezeichnetEnergy bands.

Volantband

Die Elektronen bewegen sich in den Atomen in bestimmten Energieniveaus, aber die Energie der Elektronen in der innersten Schale ist höher als die der äußersten Schalenelektronen. Die Elektronen, die in der äußersten Schale vorhanden sind, werden als bezeichnetValance Electrons.

Diese Valenzelektronen, die eine Reihe von Energieniveaus enthalten, bilden ein Energieband, das als Valenzband bezeichnet wird. Dasvalence bandist die Band mit der höchsten besetzten Energie .

Leitungsband

Die Valenzelektronen sind so locker an den Kern gebunden, dass selbst bei Raumtemperatur nur wenige Valenzelektronen das Band verlassen, um frei zu sein. Diese werden als bezeichnetfree electrons da sie dazu neigen, sich zu den benachbarten Atomen zu bewegen.

Diese freien Elektronen sind diejenigen, die den Strom in einem Leiter leiten und daher als bezeichnet werden Conduction Electrons. Das Band, das Leitungselektronen enthält, heißtConduction Band. Das Leitungsband ist das Band mit der niedrigsten belegten Energie .

Verbotene Lücke

Die Lücke zwischen Valenzband und Leitungsband wird als bezeichnet forbidden energy gap. Wie der Name schon sagt, ist diese Band die verbotene ohne Energie. Daher bleibt kein Elektron in dieser Bande. Die Valenzelektronen passieren dabei das Leitungsband.

Die verbotene Energielücke bedeutet, wenn sie größer ist, dass die Valenzbandelektronen fest an den Kern gebunden sind. Um nun die Elektronen aus dem Valenzband herauszudrücken, wird etwas externe Energie benötigt, die gleich der verbotenen Energielücke wäre.

Die folgende Abbildung zeigt das Valenzband, das Leitungsband und die verbotene Lücke.

Abhängig von der Größe des verbotenen Spaltes werden die Isolatoren, die Halbleiter und die Leiter gebildet.

Isolatoren

Isolatoren sind solche Materialien, bei denen die Leitung aufgrund des großen verbotenen Spaltes nicht stattfinden kann. Beispiele: Holz, Gummi. Die Struktur der Energiebänder in Isolatoren ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Eigenschaften

Das Folgende sind die Eigenschaften von Isolatoren.

  • Die verbotene Energielücke ist sehr groß.

  • Valenzbandelektronen sind fest an Atome gebunden.

  • Der Wert der verbotenen Energielücke für einen Isolator beträgt 10 eV.

  • Bei einigen Isolatoren können sie mit steigender Temperatur eine gewisse Leitfähigkeit aufweisen.

  • Der spezifische Widerstand eines Isolators liegt in der Größenordnung von 107 Ohmmeter.

Halbleiter

Halbleiter sind solche Materialien, bei denen die verbotene Energielücke klein ist und die Leitung stattfindet, wenn etwas externe Energie angelegt wird. Beispiele: Silizium, Germanium. Die folgende Abbildung zeigt die Struktur von Energiebändern in Halbleitern.

Eigenschaften

Das Folgende sind die Eigenschaften von Halbleitern.

  • Die verbotene Energielücke ist sehr klein.

  • Die verbotene Lücke für Ge beträgt 0,7 eV, während für Si 1,1 eV beträgt.

  • Ein Halbleiter ist eigentlich weder ein Isolator noch ein guter Leiter.

  • Mit steigender Temperatur steigt die Leitfähigkeit eines Halbleiters.

  • Die Leitfähigkeit eines Halbleiters liegt in der Größenordnung von 102 mho-meter.

Dirigenten

Leiter sind solche Materialien, bei denen die verbotene Energielücke verschwindet, wenn das Valenzband und das Leitungsband sehr nahe kommen, dass sie sich überlappen. Beispiele: Kupfer, Aluminium. Die folgende Abbildung zeigt die Struktur der Energiebänder in Leitern.

Eigenschaften

Das Folgende sind die Eigenschaften von Leitern.

  • Es gibt keine verbotene Lücke in einem Dirigenten.

  • Das Valenzband und das Leitungsband überlappen sich.

  • Die freien Elektronen, die zur Leitung zur Verfügung stehen, sind reichlich.

  • Ein leichter Spannungsanstieg erhöht die Leitung.

  • Es gibt kein Konzept der Lochbildung, da ein kontinuierlicher Elektronenfluss den Strom beiträgt.

Wichtige Begriffe

Es ist notwendig, einige wichtige Begriffe hier zu diskutieren, bevor wir mit den folgenden Kapiteln fortfahren.

Aktuell

Es ist einfach der Elektronenfluss. Ein kontinuierlicher Fluss von Elektronen oder geladenen Teilchen kann als Strom bezeichnet werden. Es wird angezeigt durchI oder i. Es wird gemessen inAmperes. Dies kann Wechselstrom Wechselstrom oder Gleichstrom Gleichstrom sein.

Stromspannung

Es ist die Potentialdifferenz. Wenn zwischen zwei Punkten ein Potentialunterschied auftritt, spricht man von einem Spannungsunterschied, der zwischen diesen beiden Punkten gemessen wird. Es wird angezeigt durchV. Es wird gemessen inVolts.

Widerstand

Es ist die Eigenschaft, dem Elektronenfluss entgegenzuwirken. Der Besitz dieser Eigenschaft kann als spezifischer Widerstand bezeichnet werden. Dies wird später im Detail besprochen.

Ohm'sches Gesetz

Mit den oben diskutierten Begriffen haben wir ein Standardgesetz, das für das Verhalten aller elektronischen Komponenten sehr wichtig ist und als Ohmsches Gesetz bezeichnet wird. Dies gibt die Beziehung zwischen Strom und Spannung in einem idealen Leiter an.

According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.

$$ V \: \ alpha \: \: I $$

Ein idealer Leiter hat keinen Widerstand. In der Praxis hat jedoch jeder Leiter einen gewissen Widerstand. Mit zunehmendem Widerstand steigt auch der Potentialabfall und damit die Spannung.

Daher the voltage is directly proportional to the resistance it offers.

$$ V \: \ alpha \: \: R $$

$$ V = IR $$

Aber die current is inversely proportional to the resistance.

$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$

$$ I = V / R $$

Daher kann in der Praxis ein Ohmsches Gesetz wie folgt angegeben werden:

According to Ohm’s law, the current flowing through a conductor is proportional to the potential difference across it, and is inversely proportional to the resistance it offers.

Dieses Gesetz ist hilfreich bei der Bestimmung der Werte unbekannter Parameter unter den drei, die bei der Analyse einer Schaltung helfen.