Podstawowa elektronika - pasma energetyczne
W substancjach gazowych rozmieszczenie cząsteczek nie jest bliskie. W cieczach układ molekularny jest umiarkowany. Ale w ciałach stałych cząsteczki są tak blisko ułożone, że elektrony w atomach cząsteczek mają tendencję do przemieszczania się na orbitale sąsiednich atomów. Stąd orbitale elektronów zachodzą na siebie, gdy atomy się łączą.
W wyniku mieszania się atomów w ciałach stałych zamiast pojedynczych poziomów energii utworzą się pasma poziomów energii. Te zestawy poziomów energii, które są ściśle upakowane, nazywa sięEnergy bands.
Valance Band
Elektrony poruszają się w atomach na pewnych poziomach energii, ale energia elektronów w najbardziej wewnętrznej powłoce jest wyższa niż elektronów najbardziej zewnętrznej powłoki. Elektrony obecne w najbardziej zewnętrznej powłoce nazywane są jakoValance Electrons.
Te elektrony walencyjne, zawierające szereg poziomów energii, tworzą pasmo energii, które nazywa się pasmem walencyjnym. Plikvalence bandto pasmo o największej zajętej energii .
Zespół przewodzący
Elektrony walencyjne są tak luźno przyłączone do jądra, że nawet w temperaturze pokojowej niewiele elektronów walencyjnych opuszcza pasmo, aby było wolne. Nazywa się je asfree electrons ponieważ mają tendencję do poruszania się w kierunku sąsiednich atomów.
Te wolne elektrony to te, które przewodzą prąd w przewodniku i stąd nazywane są jako Conduction Electrons. Pasmo zawierające elektrony przewodzące nazywa się asConduction Band. Pasmo przewodnictwa to pasmo o najniższej zajętej energii .
Zakazana przerwa
Przerwa między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa nazywa się forbidden energy gap. Jak sama nazwa wskazuje, ten zespół jest zakazany bez energii. Stąd żaden elektron nie pozostaje w tym paśmie. Elektrony walencyjne przechodzą przez to pasmo przewodnictwa.
Zakazana przerwa energetyczna, jeśli jest większa, oznacza, że elektrony pasma walencyjnego są ściśle związane z jądrem. Teraz, aby wypchnąć elektrony z pasma walencyjnego, wymagana jest pewna energia zewnętrzna, która byłaby równa zakazanej przerwie energetycznej.
Poniższy rysunek przedstawia pasmo falbany, pasmo przewodzenia i zabronioną przerwę.
W zależności od wielkości zabronionej szczeliny powstają izolatory, półprzewodniki i przewodniki.
Izolatory
Izolatory to takie materiały, w których przewodzenie nie może mieć miejsca ze względu na dużą zabronioną szczelinę. Przykłady: drewno, guma. Struktura pasm energii w izolatorach jest pokazana na poniższym rysunku.
Charakterystyka
Poniżej przedstawiono charakterystykę izolatorów.
Zakazana luka energetyczna jest bardzo duża.
Elektrony z pasmem walencyjnym są ściśle związane z atomami.
Wartość zakazanej przerwy energetycznej dla izolatora będzie wynosić 10 eV.
W przypadku niektórych izolatorów wraz ze wzrostem temperatury mogą wykazywać pewne przewodzenie.
Rezystywność izolatora będzie rzędu 107 omów-metra.
Półprzewodniki
Półprzewodniki to takie materiały, w których zabroniona przerwa energetyczna jest niewielka, a przewodzenie ma miejsce, jeśli zostanie przyłożona energia zewnętrzna. Przykłady: krzem, german. Poniższy rysunek przedstawia strukturę pasm energii w półprzewodnikach.
Charakterystyka
Poniżej przedstawiono charakterystykę półprzewodników.
Zakazana przerwa energetyczna jest bardzo mała.
Niedozwolona przerwa dla Ge wynosi 0,7 eV, natomiast dla Si 1,1 eV.
Półprzewodnik w rzeczywistości nie jest ani izolatorem, ani dobrym przewodnikiem.
Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta przewodnictwo półprzewodnika.
Przewodnictwo półprzewodnika będzie rzędu 102 mega-metra.
Przewodniki
Przewodniki to takie materiały, w których zakazana przerwa energetyczna znika, gdy pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa stają się bardzo blisko siebie, tak że zachodzą na siebie. Przykłady: miedź, aluminium. Poniższy rysunek przedstawia strukturę pasm energii w przewodnikach.
Charakterystyka
Poniżej przedstawiono cechy przewodników.
W przewodniku nie ma zakazanej przerwy.
Pasmo falbany i pasmo przewodzenia nakładają się.
Wolnych elektronów dostępnych do przewodzenia jest mnóstwo.
Nieznaczny wzrost napięcia zwiększa przewodnictwo.
Nie ma koncepcji powstawania dziur, ponieważ ciągły przepływ elektronów dostarcza prąd.
Ważne terminy
Zanim przejdziemy do kolejnych rozdziałów, trzeba tu omówić kilka ważnych pojęć.
obecny
To po prostu przepływ elektronów. Ciągły przepływ elektronów lub naładowanych cząstek można określić jako prąd. Wskazuje na toI lub i. Jest mierzony wAmperes. Może to być prąd przemienny AC lub prąd stały DC.
Napięcie
To jest potencjalna różnica. Gdy występuje różnica potencjałów między dwoma punktami, mówi się, że występuje różnica napięcia mierzona między tymi dwoma punktami. Wskazuje na toV. Jest mierzony wVolts.
Odporność
Jest to właściwość przeciwdziałania przepływowi elektronów. Posiadanie tej właściwości można określić jako rezystywność. Zostanie to szczegółowo omówione później.
Prawo Ohma
Z terminami omówionymi powyżej mamy standardowe prawo, które jest bardzo istotne dla zachowania wszystkich elementów elektronicznych, zwane prawem Ohma. To określa związek między prądem a napięciem w idealnym przewodniku.
According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.
$$ V \: \ alpha \: \: I $$
Idealny przewodnik nie ma oporu. Ale w praktyce każdy przewodnik ma w sobie jakiś opór. Wraz ze wzrostem rezystancji rośnie również spadek potencjału, a tym samym wzrasta napięcie.
W związku z tym the voltage is directly proportional to the resistance it offers.
$$ V \: \ alpha \: \: R $$
$$ V = IR $$
Ale current is inversely proportional to the resistance.
$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$
$$ I = V / R $$
Stąd w praktyce prawo Ohma można określić jako -
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.
Prawo to jest pomocne przy określaniu wartości nieznanych parametrów spośród trzech, które pomagają w analizie obwodu.