Electrónica básica - Bandas de energía
En las sustancias gaseosas, la disposición de las moléculas no es estrecha. En líquidos, la disposición molecular es moderada. Pero, en los sólidos, las moléculas están tan cerca que los electrones en los átomos de las moléculas tienden a moverse hacia los orbitales de los átomos vecinos. Por tanto, los orbitales de los electrones se superponen cuando los átomos se unen.
Debido a la mezcla de átomos en sólidos, en lugar de niveles de energía individuales, se formarán bandas de niveles de energía. Este conjunto de niveles de energía, que están muy empaquetados, se denominanEnergy bands.
Banda de cenefa
Los electrones se mueven en los átomos en ciertos niveles de energía, pero la energía de los electrones en la capa más interna es más alta que la de los electrones de la capa más externa. Los electrones que están presentes en la capa más externa se denominanValance Electrons.
Estos electrones de cenefa, que contienen una serie de niveles de energía, forman una banda de energía que se llama Banda de Valence. losvalence bandes la banda con mayor energía ocupada .
Banda de conducción
Los electrones de valencia están tan débilmente unidos al núcleo que, incluso a temperatura ambiente, pocos de los electrones de valencia dejan la banda libre. Estos se llaman comofree electrons ya que tienden a moverse hacia los átomos vecinos.
Estos electrones libres son los que conducen la corriente en un conductor y, por lo tanto, se denominan como Conduction Electrons. La banda que contiene electrones de conducción se denominaConduction Band. La banda de conducción es la banda que tiene la menor energía ocupada .
Espacio prohibido
La brecha entre la banda de valencia y la banda de conducción se llama forbidden energy gap. Como su nombre lo indica, esta banda es la prohibida sin energía. Por tanto, ningún electrón permanece en esta banda. Los electrones de valencia, mientras van a la banda de conducción, pasan a través de ella.
La brecha de energía prohibida, si es mayor, significa que los electrones de la banda de valencia están estrechamente unidos al núcleo. Ahora, para empujar a los electrones fuera de la banda de valencia, se requiere algo de energía externa, que sería igual a la brecha de energía prohibida.
La siguiente figura muestra la banda de cenefa, la banda de conducción y el espacio prohibido.
Dependiendo del tamaño del espacio prohibido, se forman los Aisladores, los Semiconductores y los Conductores.
Aislantes
Los aislantes son materiales en los que la conducción no puede tener lugar, debido al gran espacio prohibido. Ejemplos: madera, caucho. La estructura de las bandas de energía en los aisladores se muestra en la siguiente figura.
Caracteristicas
Las siguientes son las características de los aisladores.
La brecha de energía Prohibida es muy grande.
Los electrones de la banda de cenefa están fuertemente unidos a los átomos.
El valor del gap de energía prohibido para un aislante será de 10eV.
Para algunos aislantes, a medida que aumenta la temperatura, pueden mostrar cierta conducción.
La resistividad de un aislante será del orden de 107 ohmios-metro.
Semiconductores
Los semiconductores son materiales en los que la brecha de energía prohibida es pequeña y la conducción tiene lugar si se aplica alguna energía externa. Ejemplos: silicio, germanio. La siguiente figura muestra la estructura de las bandas de energía en semiconductores.
Caracteristicas
Las siguientes son las características de los semiconductores.
La brecha de energía Prohibida es muy pequeña.
La brecha prohibida para Ge es 0,7 eV mientras que para Si es 1,1 eV.
Un semiconductor en realidad no es un aislante ni un buen conductor.
A medida que aumenta la temperatura, aumenta la conductividad de un semiconductor.
La conductividad de un semiconductor será del orden de 102 mho-metro.
Conductores
Los conductores son materiales en los que la brecha de energía prohibida desaparece a medida que la banda de valencia y la banda de conducción se acercan mucho y se superponen. Ejemplos: cobre, aluminio. La siguiente figura muestra la estructura de las bandas de energía en los conductores.
Caracteristicas
Las siguientes son las características de los conductores.
No existe ningún espacio prohibido en un conductor.
La banda de cenefa y la banda de conducción se superponen.
Los electrones libres disponibles para la conducción son abundantes.
Un ligero aumento de voltaje, aumenta la conducción.
No existe el concepto de formación de huecos, ya que un flujo continuo de electrones contribuye con la corriente.
Términos importantes
Es necesario discutir aquí algunos términos importantes antes de pasar a los capítulos siguientes.
Actual
Es simplemente el flujo de electrones. Un flujo continuo de electrones o partículas cargadas se puede denominar corriente. Está indicado porI o i. Se mide enAmperes. Puede ser corriente alterna CA o corriente continua CC.
voltaje
Es la diferencia de potencial. Cuando ocurre una diferencia de potencialidades, entre dos puntos, se dice que hay una diferencia de voltaje, medida entre esos dos puntos. Está indicado porV. Se mide enVolts.
Resistencia
Es la propiedad de oponerse al flujo de electrones. La posesión de esta propiedad puede denominarse resistividad. Esto se discutirá más adelante en detalle.
Ley de Ohm
Con los términos discutidos anteriormente, tenemos una ley estándar, que es muy crucial para el comportamiento de todos los componentes electrónicos, llamada Ley de Ohm. Esto establece la relación entre corriente y voltaje en un conductor ideal.
According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.
$$ V \: \ alpha \: \: I $$
Un conductor ideal no tiene resistencia. Pero en la práctica, cada conductor tiene cierta resistencia. A medida que aumenta la resistencia, también aumenta la caída de potencial y, por lo tanto, aumenta el voltaje.
Por lo tanto the voltage is directly proportional to the resistance it offers.
$$ V \: \ alpha \: \: R $$
$$ V = IR $$
Pero el current is inversely proportional to the resistance.
$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$
$$ I = V / R $$
Por lo tanto, en la práctica, la ley de Ohm se puede establecer como:
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.
Esta ley es útil para determinar los valores de parámetros desconocidos entre los tres que ayudan a analizar un circuito.