Eletrônica Básica - Bandas de Energia
Em substâncias gasosas, o arranjo das moléculas não é fechado. Em líquidos, o arranjo molecular é moderado. Mas, nos sólidos, as moléculas são organizadas de forma tão próxima que os elétrons nos átomos das moléculas tendem a se mover para os orbitais dos átomos vizinhos. Conseqüentemente, os orbitais de elétrons se sobrepõem quando os átomos se unem.
Devido à mistura de átomos em sólidos, em vez de níveis de energia simples, haverá bandas de níveis de energia formados. Este conjunto de níveis de energia, que são compactados, são chamados deEnergy bands.
Valance Band
Os elétrons se movem nos átomos em certos níveis de energia, mas a energia dos elétrons na camada mais interna é maior do que os elétrons da camada mais externa. Os elétrons que estão presentes na camada mais externa são chamados deValance Electrons.
Esses elétrons de valência, contendo uma série de níveis de energia, formam uma banda de energia que é chamada de Banda de Valência. ovalence bandé a banda com maior energia ocupada .
Banda de condução
Os elétrons de valência estão tão frouxamente ligados ao núcleo que, mesmo em temperatura ambiente, poucos elétrons de valência deixam a banda para ficar livre. Estes são chamados defree electrons pois eles tendem a se mover em direção aos átomos vizinhos.
Esses elétrons livres são aqueles que conduzem a corrente em um condutor e, portanto, chamados de Conduction Electrons. A banda que contém elétrons de condução é chamada deConduction Band. A banda de condução é a banda com a menor energia ocupada .
Lacuna proibida
A lacuna entre a banda de valência e a banda de condução é chamada de forbidden energy gap. Como o nome indica, essa banda é a proibida sem energia. Portanto, nenhum elétron permanece nesta banda. Os elétrons de valência, enquanto vão para a banda de condução, passam por ela.
O gap de energia proibido, se maior, significa que os elétrons da banda de valência estão fortemente ligados ao núcleo. Agora, para empurrar os elétrons para fora da banda de valência, alguma energia externa é necessária, o que seria igual ao intervalo de energia proibido.
A figura a seguir mostra a banda de sanefa, banda de condução e a lacuna proibida.
Dependendo do tamanho da lacuna proibida, os isoladores, os semicondutores e os condutores são formados.
Isolantes
Os isolantes são materiais em que a condução não pode ocorrer, devido ao grande vão proibido. Exemplos: Madeira, Borracha. A estrutura das bandas de energia em isoladores é mostrada na figura a seguir.
Características
A seguir estão as características dos isoladores.
A lacuna de energia Proibida é muito grande.
Os elétrons da banda de valância estão fortemente ligados aos átomos.
O valor do gap de energia proibido para um isolador será de 10eV.
Para alguns isoladores, à medida que a temperatura aumenta, eles podem apresentar alguma condução.
A resistividade de um isolador será da ordem de 107 ohm-metro.
Semicondutores
Semicondutores são materiais em que o gap de energia proibido é pequeno e a condução ocorre se alguma energia externa for aplicada. Exemplos: silício, germânio. A figura a seguir mostra a estrutura das bandas de energia em semicondutores.
Características
A seguir estão as características dos semicondutores.
A lacuna de energia Proibida é muito pequena.
A lacuna proibida para Ge é 0,7eV enquanto que para Si é 1,1eV.
Na verdade, um semicondutor não é um isolante nem um bom condutor.
Conforme a temperatura aumenta, a condutividade de um semicondutor aumenta.
A condutividade de um semicondutor será da ordem de 102 mho-metro.
Condutores
Os condutores são materiais nos quais a lacuna de energia proibida desaparece à medida que a banda de valência e a banda de condução ficam muito próximas e se sobrepõem. Exemplos: cobre, alumínio. A figura a seguir mostra a estrutura das faixas de energia nos condutores.
Características
A seguir estão as características dos condutores.
Não existe nenhuma lacuna proibida em um condutor.
A banda de saia e a banda de condução ficam sobrepostas.
Os elétrons livres disponíveis para condução são muitos.
Um ligeiro aumento na voltagem aumenta a condução.
Não há conceito de formação de buraco, já que um fluxo contínuo de elétrons contribui com a corrente.
Termos importantes
É necessário discutir alguns termos importantes aqui, antes de prosseguirmos para os capítulos subsequentes.
Atual
É simplesmente o fluxo de elétrons. Um fluxo contínuo de elétrons ou partículas carregadas pode ser denominado como Corrente. É indicado porI ou i. É medido emAmperes. Pode ser corrente alternada CA ou corrente contínua CC.
Voltagem
É a diferença de potencial. Quando ocorre uma diferença de potencialidades, entre dois pontos, diz-se que existe uma diferença de tensão, medida entre esses dois pontos. É indicado porV. É medido emVolts.
Resistência
É a propriedade de se opor ao fluxo de elétrons. A posse dessa propriedade pode ser denominada resistividade. Isso será discutido mais tarde em detalhes.
Lei de Ohm
Com os termos discutidos acima, temos uma lei padrão, que é muito crucial para o comportamento de todos os componentes eletrônicos, chamada de Lei de Ohm. Isso estabelece a relação entre corrente e tensão em um condutor ideal.
According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.
$$ V \: \ alpha \: \: I $$
Um condutor ideal não tem resistência. Mas, na prática, todo condutor tem alguma resistência. À medida que a resistência aumenta, a queda de potencial também aumenta e, portanto, a tensão aumenta.
Conseqüentemente the voltage is directly proportional to the resistance it offers.
$$ V \: \ alpha \: \: R $$
$$ V = IR $$
Mas o current is inversely proportional to the resistance.
$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$
$$ I = V / R $$
Portanto, na prática, uma lei de Ohm pode ser declarada 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 lei é útil para determinar os valores de parâmetros desconhecidos entre os três que ajudam a analisar um circuito.