Przewodnictwo w materiałach stałych
Liczba elektronów w zewnętrznym pierścieniu atomu jest nadal przyczyną różnicy między przewodnikami i izolatorami. Jak wiemy, materiały stałe są używane głównie w urządzeniach elektrycznych do przewodzenia elektronów. Materiały te można podzielić na przewodniki, półprzewodniki i izolatory.
Jednak przewodniki, półprzewodniki i izolatory są rozróżniane za pomocą diagramów poziomów energii. Ilość energii potrzebnej do tego, aby elektron opuścił swoje pasmo walencyjne i przeszedł w stan przewodzenia, będzie tutaj uwzględniony. Diagram jest połączeniem wszystkich atomów w materiale. Schematy poziomów energetycznych izolatorów, półprzewodników i przewodników przedstawiono na poniższym rysunku.
Pasmo walencyjne
Dolna część to valence band. Reprezentuje poziomy energii najbliżej jądra atomu, a poziomy energii w paśmie walencyjnym zawierają prawidłową liczbę elektronów niezbędną do zrównoważenia dodatniego ładunku jądra. Dlatego ten zespół nazywa sięfilled band.
W paśmie walencyjnym elektrony są ściśle związane z jądrem. Poruszając się w górę na poziomie energii, elektrony są słabiej wiązane na każdym kolejnym poziomie w kierunku jądra. Nie jest łatwo zaburzyć elektrony na poziomach energii bliżej jądra, ponieważ ich ruch wymaga większych energii, a każda orbita elektronu ma inny poziom energii.
Zespół przewodzący
Górne lub najbardziej zewnętrzne pasmo na diagramie nosi nazwę conduction band. Jeśli elektron ma poziom energii, który leży w tym paśmie i może stosunkowo swobodnie poruszać się w krysztale, to przewodzi prąd elektryczny.
W elektronice półprzewodnikowej zajmujemy się głównie pasmami walencyjnymi i przewodzącymi. Oto kilka podstawowych informacji na ten temat -
Pasmo walencyjne każdego atomu pokazuje poziomy energii elektronów walencyjnych w powłoce zewnętrznej.
Do elektronów walencyjnych należy dodać określoną ilość energii, aby mogły one wejść w pasmo przewodnictwa.
Zakazana Luka
Pasma walencyjne i przewodzące są oddzielone luką, nazywaną zakazaną przerwą, jeśli istnieje. Aby przekroczyć zakazaną lukę, potrzebna jest określona ilość energii. Jeśli jest niewystarczająca, elektrony nie są uwalniane do przewodzenia. Elektrony pozostaną w paśmie walencyjnym, dopóki nie otrzymają dodatkowej energii, aby przekroczyć zakazaną lukę.
Stan przewodzenia określonego materiału można określić poprzez szerokość zabronionej szczeliny. W teorii atomowej szerokość szczeliny jest wyrażona w elektronowoltach (eV). Elektronowolt definiuje się jako ilość energii uzyskanej lub utraconej, gdy elektron jest poddany różnicy potencjałów 1 V. Atomy każdego elementu mają różną wartość poziomu energii, która umożliwia przewodzenie.
Zwróć uwagę, że forbidden regionizolatora jest stosunkowo szeroki. Aby spowodować przejście izolatora w stan przewodzenia, potrzeba bardzo dużej ilości energii. Na przykład Thyrite.
Jeśli izolatory pracują w wysokich temperaturach, zwiększona energia cieplna powoduje przemieszczanie się elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
Jak jasno wynika ze schematu pasm energii, zabroniona przerwa półprzewodnika jest znacznie mniejsza niż izolatora. Na przykład krzem musi uzyskać 0,7 eV energii, aby przejść do pasma przewodzenia. W temperaturze pokojowej dodanie energii cieplnej może wystarczyć do spowodowania przewodzenia w półprzewodniku. Ta szczególna cecha ma ogromne znaczenie w półprzewodnikowych urządzeniach elektronicznych.
W przypadku przewodnika pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne częściowo nakładają się na siebie. W pewnym sensie nie ma zakazanej luki. Dlatego elektrony pasma walencyjnego są w stanie uwolnić się i stać się wolnymi elektronami. Zwykle w normalnej temperaturze pokojowej w przewodniku odbywa się niewielkie przewodzenie elektryczne.