Базовая электроника - диапазоны энергии
В газообразных веществах расположение молекул не близкое. В жидкостях молекулярное расположение умеренное. Но в твердых телах молекулы расположены так близко друг к другу, что электроны в атомах молекул стремятся перейти на орбитали соседних атомов. Следовательно, электронные орбитали перекрываются, когда атомы собираются вместе.
Из-за перемешивания атомов в твердых телах вместо отдельных энергетических уровней будут образовываться полосы энергетических уровней. Эти плотно упакованные наборы энергетических уровней называютсяEnergy bands.
Valance Band
Электроны движутся в атомах на определенных уровнях энергии, но энергия электронов в самой внутренней оболочке выше, чем у электронов самой внешней оболочки. Электроны, которые присутствуют во внешней оболочке, называютсяValance Electrons.
Эти валентные электроны, содержащие ряд энергетических уровней, образуют энергетическую полосу, которая называется валентной полосой. Вvalence band- полоса с самой высокой занятой энергией .
Зона проводимости
Валентные электроны настолько слабо прикреплены к ядру, что даже при комнатной температуре немногие валентные электроны покидают зону, чтобы стать свободными. Они называютсяfree electrons поскольку они стремятся двигаться к соседним атомам.
Эти свободные электроны - те, которые проводят ток в проводнике и поэтому называются Conduction Electrons. Зона, содержащая электроны проводимости, называетсяConduction Band. Зона проводимости - это зона с самой низкой занятой энергией .
Запрещенный разрыв
Щель между валентной зоной и зоной проводимости называется forbidden energy gap. Как следует из названия, это запрещенная полоса без энергии. Следовательно, в этой полосе не остается электронов. Валентные электроны, переходя в зону проводимости, проходят через нее.
Если запрещенная энергетическая щель больше, это означает, что электроны валентной зоны тесно связаны с ядром. Теперь, чтобы вытолкнуть электроны из валентной зоны, требуется некоторая внешняя энергия, равная запрещенной энергетической зоне.
На следующем рисунке показаны валансная зона, зона проводимости и запрещенная зона.
В зависимости от размера запрещенной зоны формируются изоляторы, полупроводники и проводники.
Изоляторы
Изоляторы - это такие материалы, в которых не может иметь место проводимость из-за большого запрещенного промежутка. Примеры: дерево, резина. Структура энергетических зон в изоляторах показана на следующем рисунке.
Характеристики
Ниже приведены характеристики изоляторов.
Запрещенная энергетическая щель очень велика.
Электроны зоны валанса прочно связаны с атомами.
Значение запрещенной запрещенной зоны для изолятора будет 10 эВ.
У некоторых изоляторов при повышении температуры может наблюдаться некоторая проводимость.
Удельное сопротивление изолятора будет порядка 107 Ом-метр.
Полупроводники
Полупроводники - это такие материалы, в которых запрещенная энергетическая щель мала, а проводимость имеет место при приложении некоторой внешней энергии. Примеры: кремний, германий. На следующем рисунке показана структура энергетических зон в полупроводниках.
Характеристики
Ниже приведены характеристики полупроводников.
Запрещенная энергетическая щель очень мала.
Запрещенная зона для Ge составляет 0,7 эВ, а для Si - 1,1 эВ.
Полупроводник на самом деле не является ни изолятором, ни хорошим проводником.
С повышением температуры увеличивается проводимость полупроводника.
Электропроводность полупроводника будет порядка 102 миллиметров.
Дирижеры
Проводники - это такие материалы, в которых запрещенная энергетическая щель исчезает, поскольку валентная зона и зона проводимости становятся очень близкими, так что они перекрываются. Примеры: медь, алюминий. На следующем рисунке показана структура энергетических зон в проводниках.
Характеристики
Ниже приведены характеристики проводников.
В проводнике нет запрещенного зазора.
Балансная полоса и зона проводимости перекрываются.
Свободных электронов, доступных для проводимости, много.
Незначительное повышение напряжения увеличивает проводимость.
Нет концепции образования дырок, так как непрерывный поток электронов вносит свой вклад в ток.
Важные термины
Здесь необходимо обсудить несколько важных терминов, прежде чем мы перейдем к следующим главам.
Текущий
Это просто поток электронов. Непрерывный поток электронов или заряженных частиц можно назвать током. Это обозначаетсяI или же i. Он измеряется вAmperes. Это может быть переменный ток AC или постоянный ток DC.
вольтаж
Это разность потенциалов. Когда возникает разница потенциалов между двумя точками, считается, что существует разница напряжений, измеренная между этими двумя точками. Это обозначеноV. Он измеряется вVolts.
Сопротивление
Это свойство противодействовать потоку электронов. Обладание этим свойством можно назвать удельным сопротивлением. Подробнее об этом будет сказано ниже.
Закон Ома
С терминами, обсужденными выше, у нас есть стандартный закон, который очень важен для поведения всех электронных компонентов, называемый законом Ома. Это устанавливает соотношение между током и напряжением в идеальном проводнике.
According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.
$$ V \: \ alpha \: \: I $$
Идеальный проводник не имеет сопротивления. Но на практике в каждом проводнике есть сопротивление. По мере увеличения сопротивления также увеличивается падение потенциала и, следовательно, увеличивается напряжение.
Следовательно the voltage is directly proportional to the resistance it offers.
$$ V \: \ alpha \: \: R $$
$$ V = IR $$
Но current is inversely proportional to the resistance.
$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$
$$ I = V / R $$
Следовательно, на практике закон Ома можно сформулировать как -
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.
Этот закон полезен при определении значений неизвестных параметров среди трех, которые помогают анализировать схему.