Dẫn điện trong vật liệu rắn

Số lượng electron ở vòng ngoài cùng của nguyên tử vẫn là lý do tạo ra sự khác biệt giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Như chúng ta đã biết, vật liệu rắn chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị điện để thực hiện quá trình dẫn điện tử. Những vật liệu này có thể được tách thành chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện.

Tuy nhiên, chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện được phân biệt bằng biểu đồ mức năng lượng. Lượng năng lượng cần thiết để khiến một electron rời khỏi vùng hóa trị của nó và chuyển sang trạng thái dẫn sẽ được tính ở đây. Sơ đồ là tổng hợp của tất cả các nguyên tử trong vật liệu. Biểu đồ mức năng lượng của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện được biểu diễn trong hình sau.

Dải hóa trị

Phần dưới cùng là valence band. Nó biểu thị các mức năng lượng gần nhất với hạt nhân của nguyên tử và các mức năng lượng trong vùng hóa trị giữ đúng số electron cần thiết để cân bằng điện tích dương của hạt nhân. Do đó, ban nhạc này được gọi làfilled band.

Trong vùng hóa trị, các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân. Di chuyển lên trong mức năng lượng, các electron liên kết nhẹ hơn trong mỗi mức kế tiếp về phía hạt nhân. Không dễ làm xáo trộn các electron trong các mức năng lượng gần hạt nhân hơn, vì chuyển động của chúng đòi hỏi năng lượng lớn hơn và mỗi quỹ đạo electron có một mức năng lượng riêng biệt.

Băng dẫn

Dải trên cùng hoặc ngoài cùng trong biểu đồ được gọi là conduction band. Nếu một điện tử có mức năng lượng nằm trong dải này và tương đối tự do chuyển động xung quanh trong tinh thể, thì nó dẫn điện.

Trong điện tử bán dẫn, chúng ta quan tâm chủ yếu đến vùng hóa trị và vùng dẫn. Sau đây là một số thông tin cơ bản về nó -

Dải hóa trị của mỗi nguyên tử thể hiện mức năng lượng của các electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng.
Một lượng năng lượng xác định phải được thêm vào các electron hóa trị để khiến chúng đi vào vùng dẫn.

Khoảng cách bị cấm

Các vùng hóa trị và vùng dẫn được ngăn cách bởi một khoảng trống, bất cứ nơi nào tồn tại, được gọi là khe cấm. Để vượt qua khoảng trống cấm cần một lượng năng lượng xác định. Nếu thiếu, các electron không được giải phóng để dẫn điện. Các electron sẽ vẫn ở trong vùng hóa trị cho đến khi chúng nhận thêm năng lượng để vượt qua khoảng trống bị cấm.

Trạng thái dẫn của một vật liệu cụ thể có thể được biểu thị bằng chiều rộng của khe hở cấm. Trong lý thuyết nguyên tử, chiều rộng của khoảng trống được biểu thị bằng vôn điện tử (eV). Một electron vôn được định nghĩa là lượng năng lượng thu được hoặc mất đi khi một electron chịu hiệu điện thế 1 V. Nguyên tử của mỗi nguyên tố có giá trị mức năng lượng khác nhau cho phép dẫn điện.

Lưu ý rằng forbidden regioncủa một chất cách điện là tương đối rộng. Để làm cho một chất cách điện đi vào quá trình dẫn điện sẽ cần một năng lượng rất lớn. Ví dụ, Thyrite.

Nếu chất cách điện hoạt động ở nhiệt độ cao, nhiệt năng tăng lên làm cho các điện tử của vùng hóa trị di chuyển vào vùng dẫn.

Như rõ ràng từ biểu đồ vùng năng lượng, khe hở cấm của chất bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với khe hở của chất cách điện. Ví dụ, silicon cần đạt được 0,7 eV năng lượng để đi vào vùng dẫn. Ở nhiệt độ phòng, việc bổ sung nhiệt năng có thể đủ để gây ra sự dẫn điện trong chất bán dẫn. Đặc tính đặc biệt này có tầm quan trọng lớn trong các thiết bị điện tử ở trạng thái rắn.

Trong trường hợp một vật dẫn, vùng dẫn và vùng hóa trị có phần phủ lên nhau. Theo một nghĩa nào đó, không có khoảng cách bị cấm. Do đó, các điện tử của vùng hóa trị có khả năng giải phóng để trở thành các điện tử tự do. Thông thường ở nhiệt độ phòng bình thường, sự dẫn điện ít xảy ra trong vật dẫn.