Leitung in festen Materialien
Die Anzahl der Elektronen im äußeren Ring eines Atoms ist immer noch der Grund für den Unterschied zwischen Leitern und Isolatoren. Wie wir wissen, werden feste Materialien hauptsächlich in elektrischen Geräten verwendet, um eine Elektronenleitung zu erreichen. Diese Materialien können in Leiter, Halbleiter und Isolatoren getrennt werden.
Leiter, Halbleiter und Isolatoren werden jedoch durch Energieniveaudiagramme unterschieden. Hier wird die Energiemenge berücksichtigt, die benötigt wird, damit ein Elektron sein Valenzband verlässt und in die Leitung geht. Das Diagramm setzt sich aus allen Atomen im Material zusammen. Energieniveaudiagramme von Isolatoren, Halbleitern und Leitern sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Valenzband
Der untere Teil ist der valence band. Es stellt die Energieniveaus dar, die dem Atomkern am nächsten liegen, und die Energieniveaus im Valenzband enthalten die richtige Anzahl von Elektronen, die erforderlich sind, um die positive Ladung des Kerns auszugleichen. Daher heißt diese Band diefilled band.
Im Valenzband sind Elektronen fest an den Kern gebunden. Wenn sich die Elektronen im Energieniveau nach oben bewegen, werden sie in jedem nachfolgenden Niveau leichter in Richtung des Kerns gebunden. Es ist nicht leicht, die Elektronen in den Energieniveaus zu stören, die näher am Kern liegen, da ihre Bewegung größere Energien erfordert und jede Elektronenbahn ein bestimmtes Energieniveau hat.
Leitungsband
Das oberste oder äußerste Band im Diagramm wird als bezeichnet conduction band. Wenn ein Elektron ein Energieniveau hat, das innerhalb dieses Bandes liegt und sich vergleichsweise frei im Kristall bewegen kann, leitet es elektrischen Strom.
In der Halbleiterelektronik beschäftigen wir uns hauptsächlich mit den Valenz- und Leitungsbändern. Im Folgenden finden Sie einige grundlegende Informationen dazu -
Das Valenzband jedes Atoms zeigt die Energieniveaus der Valenzelektronen in der Außenhülle.
Den Valenzelektronen muss eine bestimmte Energiemenge hinzugefügt werden, damit sie in das Leitungsband gelangen.
Verbotene Lücke
Die Valenz- und Leitungsbänder sind durch eine Lücke getrennt, wo immer vorhanden, die als verbotene Lücke bezeichnet wird. Um die verbotene Lücke zu überwinden, wird eine bestimmte Energiemenge benötigt. Wenn es nicht ausreicht, werden keine Elektronen zur Leitung freigesetzt. Elektronen bleiben im Valenzband, bis sie zusätzliche Energie erhalten, um die verbotene Lücke zu überwinden.
Der Leitungsstatus eines bestimmten Materials kann durch die Breite des verbotenen Spaltes angezeigt werden. In der Atomtheorie wird die Breite der Lücke in Elektronenvolt (eV) ausgedrückt. Ein Elektronenvolt ist definiert als die Menge an Energie, die gewonnen oder verloren wird, wenn ein Elektron einer Potentialdifferenz von 1 V ausgesetzt wird. Die Atome jedes Elements haben einen unterschiedlichen Energieniveauwert, der eine Leitung ermöglicht.
Notiere dass der forbidden regioneines Isolators ist relativ breit. Um einen Isolator in Leitung zu bringen, ist eine sehr große Energiemenge erforderlich. Zum Beispiel Thyrit.
Wenn Isolatoren bei hohen Temperaturen betrieben werden, bewirkt die erhöhte Wärmeenergie, dass sich die Elektronen des Valenzbandes in das Leitungsband bewegen.
Wie aus dem Energiebanddiagramm hervorgeht, ist die verbotene Lücke eines Halbleiters viel kleiner als die eines Isolators. Zum Beispiel muss Silizium 0,7 eV Energie gewinnen, um in das Leitungsband zu gelangen. Bei Raumtemperatur kann die Zugabe von Wärmeenergie ausreichend sein, um eine Leitung in einem Halbleiter zu bewirken. Diese besondere Eigenschaft ist bei elektronischen Festkörpergeräten von großer Bedeutung.
Im Falle eines Leiters überlappen sich das Leitungsband und das Valenzband teilweise. In gewissem Sinne gibt es keine verbotene Lücke. Daher können sich die Elektronen des Valenzbandes freisetzen, um freie Elektronen zu werden. Normalerweise findet bei normaler Raumtemperatur nur eine geringe elektrische Leitung innerhalb des Leiters statt.