อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน - วงพลังงาน

ในสารที่เป็นก๊าซการเรียงตัวของโมเลกุลไม่ใกล้เคียงกัน ในของเหลวการจัดเรียงโมเลกุลจะอยู่ในระดับปานกลาง แต่ในของแข็งโมเลกุลจะถูกจัดเรียงอย่างใกล้ชิดกันมากจนอิเล็กตรอนในอะตอมของโมเลกุลมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่เข้าไปในวงโคจรของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ดังนั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนจึงทับซ้อนกันเมื่ออะตอมมารวมกัน

เนื่องจากการรวมกันของอะตอมในของแข็งแทนที่จะเป็นระดับพลังงานเดี่ยวจะมีแถบระดับพลังงานเกิดขึ้น ชุดของระดับพลังงานซึ่งบรรจุอย่างใกล้ชิดเหล่านี้เรียกว่าEnergy bands.

วงดนตรี

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในอะตอมในระดับพลังงานบางระดับ แต่พลังงานของอิเล็กตรอนในเปลือกชั้นในสุดสูงกว่าอิเล็กตรอนเปลือกนอกสุด อิเล็กตรอนที่มีอยู่ในเปลือกนอกสุดเรียกว่า asValance Electrons.

อิเล็กตรอนแบบโปรแลนซ์เหล่านี้ซึ่งมีระดับพลังงานหลายชุดก่อตัวเป็นวงพลังงานซึ่งเรียกว่าวาเลนซ์แบนด์ valence bandเป็นวงดนตรีที่มีพลังงานสูงที่สุดครอบครอง

การนำวง

เวเลนซ์อิเล็กตรอนยึดติดกับนิวเคลียสอย่างหลวม ๆ จนแม้จะอยู่ในอุณหภูมิห้องเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวก็ปล่อยให้วงเป็นอิสระ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าfree electrons ขณะที่พวกมันมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ไปยังอะตอมข้างเคียง

อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้เป็นอิเล็กตรอนที่นำกระแสในตัวนำและด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่า Conduction Electrons. วงดนตรีที่มีอิเล็กตรอนในการนำกระแสเรียกว่าเป็นConduction Band. การนำวงดนตรีเป็นวงดนตรีที่มีพลังงานต่ำสุดครอบครอง

ช่องว่างต้องห้าม

ช่องว่างระหว่างวงวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าเรียกว่าเป็น forbidden energy gap. ตามความหมายของชื่อวงนี้คือวงดนตรีต้องห้ามที่ไม่มีพลังงาน ดังนั้นจึงไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ในแถบนี้ เวเลนซ์อิเล็กตรอนในขณะที่ไปที่แถบการนำไฟฟ้าจะผ่านสิ่งนี้

ช่องว่างพลังงานที่ต้องห้ามถ้ามากกว่าหมายความว่าอิเล็กตรอนวงเวเลนซ์จะถูกผูกแน่นกับนิวเคลียส ตอนนี้เพื่อที่จะผลักอิเล็กตรอนออกจากวงวาเลนซ์จำเป็นต้องใช้พลังงานภายนอกบางส่วนซึ่งจะเท่ากับช่องว่างพลังงานต้องห้าม

รูปต่อไปนี้แสดงแถบคาดเดาวงดนตรีการนำและช่องว่างที่ต้องห้าม

ขึ้นอยู่กับขนาดของช่องว่างที่ต้องห้ามฉนวนตัวเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำจะถูกสร้างขึ้น

ฉนวน

ฉนวนเป็นวัสดุที่การนำไฟฟ้าไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากช่องว่างต้องห้ามขนาดใหญ่ ตัวอย่าง: ไม้ยางพารา โครงสร้างของแถบพลังงานในฉนวนมีดังแสดงในรูปต่อไปนี้

ลักษณะเฉพาะ

ต่อไปนี้เป็นลักษณะของฉนวน

• ช่องว่างพลังงานต้องห้ามมีขนาดใหญ่มาก

• อิเล็กตรอนวงวาแลนซ์ถูกผูกแน่นกับอะตอม

• ค่าของช่องว่างพลังงานต้องห้ามสำหรับฉนวนจะเท่ากับ 10eV

• สำหรับฉนวนบางตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอาจแสดงถึงการนำไฟฟ้าบางอย่าง

• ความต้านทานของฉนวนจะอยู่ในลำดับที่ 107 โอห์มเมตร

เซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุที่ช่องว่างของพลังงานต้องห้ามมีขนาดเล็กและการนำไฟฟ้าจะเกิดขึ้นหากใช้พลังงานภายนอกบางส่วน ตัวอย่าง: ซิลิคอนเจอร์เมเนียม รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างของแถบพลังงานในเซมิคอนดักเตอร์

ลักษณะเฉพาะ

ต่อไปนี้เป็นลักษณะของสารกึ่งตัวนำ

• ช่องว่างของพลังงานต้องห้ามนั้นเล็กมาก

• ช่องว่างต้องห้ามสำหรับ Ge คือ 0.7eV ในขณะที่ Si คือ 1.1eV

• เซมิคอนดักเตอร์จริง ๆ แล้วไม่ใช่ทั้งฉนวนหรือตัวนำที่ดี

• เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้น

• การนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะอยู่ในลำดับที่ 102 mho-meter

ตัวนำ

ตัวนำเป็นวัสดุที่ช่องว่างพลังงานต้องห้ามหายไปเนื่องจากวงวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าอยู่ใกล้กันมากจนทับซ้อนกัน ตัวอย่าง: ทองแดงอลูมิเนียม รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างของแถบพลังงานในตัวนำ

ลักษณะเฉพาะ

ต่อไปนี้เป็นลักษณะของตัวนำ

• ไม่มีช่องว่างต้องห้ามในตัวนำ

• แถบคาดเดาและแถบการนำไฟฟ้าทับซ้อนกัน

• อิเล็กตรอนอิสระที่มีอยู่สำหรับการนำไฟฟ้ามีมากมาย

• แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเพิ่มการนำไฟฟ้า

• ไม่มีแนวคิดเกี่ยวกับการก่อตัวของรูเนื่องจากการไหลอย่างต่อเนื่องของอิเล็กตรอนทำให้เกิดกระแส

เงื่อนไขสำคัญ

มีความจำเป็นที่จะต้องหารือเกี่ยวกับคำศัพท์สำคัญบางประการที่นี่ก่อนที่เราจะไปยังบทต่อ ๆ ไป

ปัจจุบัน

มันเป็นเพียงการไหลของอิเล็กตรอน การไหลอย่างต่อเนื่องของอิเล็กตรอนหรืออนุภาคที่มีประจุสามารถเรียกได้ว่าเป็นกระแส มันถูกระบุโดยI หรือ i. วัดเป็นAmperes. อาจเป็นกระแสสลับ AC หรือ DC กระแสตรง

แรงดันไฟฟ้า

มันคือความต่างศักย์ เมื่อมีความต่างศักย์เกิดขึ้นระหว่างจุดสองจุดจะมีการกล่าวว่าเป็นความต่างศักย์ที่วัดได้ระหว่างสองจุดนั้น มันถูกระบุโดยV. วัดเป็นVolts.

ความต้านทาน

มันเป็นคุณสมบัติของการต่อต้านการไหลของอิเล็กตรอน การครอบครองทรัพย์สินนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นความต้านทาน ซึ่งจะกล่าวถึงในรายละเอียดในภายหลัง

กฎของโอห์ม

ด้วยข้อกำหนดที่กล่าวถึงข้างต้นเราจึงมีกฎหมายมาตรฐานซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อพฤติกรรมของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดที่เรียกว่ากฎของโอห์ม สิ่งนี้ระบุความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันไฟฟ้าในตัวนำในอุดมคติ

According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.

$$ V \: \ alpha \: \: I $$

ตัวนำในอุดมคติไม่มีความต้านทาน แต่ในทางปฏิบัติตัวนำทุกตัวมีความต้านทานอยู่ในตัว เมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้นความต่างศักย์ก็จะเพิ่มขึ้นด้วยและด้วยเหตุนี้แรงดันไฟฟ้าจึงเพิ่มขึ้น

ดังนั้น the voltage is directly proportional to the resistance it offers.

$$ V \: \ alpha \: \: R $$

$$ V = IR $$

แต่ current is inversely proportional to the resistance.

$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$

$$ ฉัน = V / R $$

ดังนั้นในทางปฏิบัติกฎของโอห์มสามารถระบุได้ว่า -

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.

กฎหมายนี้มีประโยชน์ในการกำหนดค่าของพารามิเตอร์ที่ไม่รู้จักระหว่างสามพารามิเตอร์ซึ่งช่วยในการวิเคราะห์วงจร