การนำวัสดุที่เป็นของแข็ง

จำนวนอิเล็กตรอนในวงแหวนรอบนอกของอะตอมยังคงเป็นสาเหตุของความแตกต่างระหว่างตัวนำและฉนวน อย่างที่เราทราบกันดีว่าวัสดุที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อนำอิเล็กตรอน วัสดุเหล่านี้สามารถแยกออกเป็นตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวน

อย่างไรก็ตามตัวนำเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนมีความแตกต่างกันโดยแผนภาพระดับพลังงาน ปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการทำให้อิเล็กตรอนออกจากวงเวเลนซ์และนำไปสู่การนำไฟฟ้าจะถูกนำมาคำนวณที่นี่ แผนภาพคือส่วนประกอบของอะตอมทั้งหมดภายในวัสดุ แผนภาพระดับพลังงานของฉนวนเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำแสดงดังรูปต่อไปนี้

วงวาเลนซ์

ส่วนด้านล่างคือไฟล์ valence band. มันแสดงถึงระดับพลังงานที่ใกล้เคียงกับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุดและระดับพลังงานในแถบ Valance จะมีจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกต้องที่จำเป็นในการปรับสมดุลของประจุบวกของนิวเคลียส ดังนั้นวงดนตรีนี้จึงถูกเรียกว่าfilled band.

ในวงวาเลนซ์อิเล็กตรอนจะจับกับนิวเคลียสอย่างแน่นหนา เมื่อเลื่อนขึ้นไปในระดับพลังงานอิเล็กตรอนจะถูกผูกมัดเบา ๆ มากขึ้นในแต่ละระดับต่อเนื่องไปยังนิวเคลียส ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะรบกวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของพวกมันต้องการพลังงานที่มากขึ้นและวงโคจรของอิเล็กตรอนแต่ละวงมีระดับพลังงานที่แตกต่างกัน

การนำวง

แถบบนสุดหรือวงนอกสุดในแผนภาพเรียกว่า conduction band. ถ้าอิเล็กตรอนมีระดับพลังงานซึ่งอยู่ภายในวงนี้และค่อนข้างมีอิสระที่จะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ในคริสตัลก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์เราส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความจุและแถบการนำไฟฟ้า ต่อไปนี้เป็นข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับเรื่องนี้ -

  • วงเวเลนซ์ของแต่ละอะตอมแสดงระดับพลังงานของเวเลนซ์อิเล็กตรอนในเปลือกนอก

  • ต้องเพิ่มพลังงานจำนวนที่แน่นอนให้กับเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพื่อทำให้พวกมันเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า

ช่องว่างต้องห้าม

ความจุและแถบการนำจะถูกคั่นด้วยช่องว่างไม่ว่าจะอยู่ที่ใดก็ตามเรียกว่าช่องว่างต้องห้าม ในการข้ามช่องว่างต้องห้ามจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง หากไม่เพียงพออิเล็กตรอนจะไม่ถูกปล่อยออกมาเพื่อเป็นตัวนำ อิเล็กตรอนจะยังคงอยู่ในแถบวาเลนซ์จนกว่าจะได้รับพลังงานเพิ่มเติมเพื่อข้ามช่องว่างต้องห้าม

สถานะการนำของวัสดุเฉพาะสามารถระบุได้ด้วยความกว้างของช่องว่างต้องห้าม ในทฤษฎีอะตอมความกว้างของช่องว่างจะแสดงเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) โวลต์ของอิเล็กตรอนหมายถึงปริมาณพลังงานที่ได้รับหรือสูญเสียไปเมื่ออิเล็กตรอนอยู่ภายใต้ความต่างศักย์ 1 โวลต์อะตอมของแต่ละองค์ประกอบมีค่าระดับพลังงานที่แตกต่างกันซึ่งทำให้สามารถนำ

โปรดทราบว่าไฟล์ forbidden regionของฉนวนค่อนข้างกว้าง ในการทำให้ฉนวนเข้าไปในการนำไฟฟ้าจะต้องใช้พลังงานจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น Thyrite

หากใช้ฉนวนที่อุณหภูมิสูงพลังงานความร้อนที่เพิ่มขึ้นจะทำให้อิเล็กตรอนของแถบวาเลนซ์เคลื่อนที่เข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า

ดังที่ชัดเจนจากแผนภาพแถบพลังงานช่องว่างที่ต้องห้ามของเซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็กกว่าฉนวนมาก ตัวอย่างเช่นซิลิคอนต้องได้รับพลังงาน 0.7 eV เพื่อเข้าสู่แถบการนำไฟฟ้า ที่อุณหภูมิห้องการเติมพลังงานความร้อนอาจเพียงพอที่จะทำให้เกิดการนำในสารกึ่งตัวนำ ลักษณะเฉพาะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตต

ในกรณีของตัวนำวงดนตรีนำและวงวาเลนซ์บางส่วนจะทับซ้อนกัน ในแง่หนึ่งไม่มีช่องว่างต้องห้าม ดังนั้นอิเล็กตรอนของเวเลนซ์แบนด์จึงสามารถปลดปล่อยให้กลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระได้ โดยปกติที่อุณหภูมิห้องปกติการนำไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยจะเกิดขึ้นภายในตัวนำ