电子电路基础 - 能带

  • 简述

    在气态物质中,分子的排列并不紧密。在液体中,分子排列适中。但是,在固体中,分子排列得如此紧密,以至于分子原子中的电子倾向于移动到相邻原子的轨道中。因此,当原子聚集在一起时,电子轨道会重叠。
    由于固体中原子的混合,而不是单一的能级,将形成能级带。这些紧密排列的能级集合称为能带
  • 价带

    电子在原子中以一定的能级运动,但最内层电子的能量高于最外层电子。存在于最外层的电子称为价电子
    这些包含一系列能级的价电子形成一个能带,称为价带。价带占有能量最高的带。
  • 导带

    价电子如此松散地附着在原子核上,以至于即使在室温下,也很少有价电子离开能带而处于自由状态。这些被称为自由电子,因为它们倾向于向相邻原子移动。
    这些自由电子是在导体中传导电流的自由电子,因此称为传导电子。含有传导电子的能带称为导带。导带是占有能量最低的能带。
  • 禁区

    价带和导带之间的间隙称为禁带能隙。顾名思义,这个带是没有能量的禁带。因此没有电子留在这个带中。价电子在进入导带时通过它。
    如果禁带能隙更大,则意味着价带电子与原子核紧密结合。现在,为了将电子推出价带,需要一些外部能量,这将等于禁带能隙。
    下图显示了价带、导带和禁带。
    禁区
    根据禁带的大小,形成绝缘体、半导体和导体。
  • 绝缘子

    绝缘体是这样的材料,由于禁隙很大,不能在其中发生导电。例如:木材、橡胶。绝缘体中的能带结构如下图所示。
    绝缘子

    特征

    以下是绝缘子的特性。
    • 禁能间隙非常大。
    • 价带电子与原子紧密结合。
    • 绝缘体的禁能隙值为 10eV。
    • 对于某些绝缘体,随着温度的升高,它们可能会表现出一定的导电性。
    • 绝缘体的电阻率约为 107 欧姆米。
  • 半导体

    半导体是这样的材料,其中禁能隙很小,如果施加一些外部能量就会发生导电。例如:硅、锗。下图显示了半导体中能带的结构。
    半导体

    特征

    以下是半导体的特性。
    • 禁能间隙非常小。
    • Ge 的禁带间隙为 0.7eV,而 Si 的禁带间隙为 1.1eV。
    • 半导体实际上既不是绝缘体,也不是良导体。
    • 随着温度升高,半导体的电导率增加。
    • 半导体的电导率约为 102 毫欧米。
  • 导体

    导体是这样的材料,其中禁止能隙随着价带和导带变得非常接近以致它们重叠而消失。例如:铜、铝。下图显示了导体中能带的结构。
    导体

    特征

    以下是导体的特性。
    • 导体中不存在禁隙。
    • 价带和导带重叠。
    • 可用于传导的自由电子很多。
    • 电压的轻微增加,增加了传导。
    • 没有空穴形成的概念,因为电子的连续流动贡献了电流。
  • 重要条款

    在我们进入后续章节之前,有必要在这里讨论一些重要的术语。

    电流

    它只是电子的流动。电子或带电粒子的连续流动可以称为电流。它由Ii表示。它以安培为单位。这可以是交流 AC 或直流 DC。

    电压

    这是潜在的差异。当在两点之间发生电位差时,就可以说在这两点之间测量到电压差。它由V表示。它以伏特为单位。

    电阻

    它是反对电子流动的特性。拥有这种性质可以称为电阻率。这将在后面详细讨论。
  • 欧姆定律

    有了上面讨论的术语,我们就有了一个标准定律,它对所有电子元件的行为都非常重要,称为欧姆定律。这说明了理想导体中电流和电压之间的关系。
    根据欧姆定律,理想导体上的电位差与通过它的电流成正比。
    $$V\:\alpha\:\:I$$
    理想导体没有电阻。但在实践中,每个导体都有一些电阻。随着电阻增加,电位降也增加,因此电压增加。
    因此,电压与其提供的电阻成正比
    $$V\:\alpha\:\:R$$
    $$V = IR $$
    电流与电阻成反比
    $$V\:\alpha\:\:I\:\alpha\:\:\frac{1}{R}$$
    $$I = V/R $$
    因此,在实践中,欧姆定律可以表述为 -
    根据欧姆定律,流过导体的电流与其两端的电位差成正比,与其提供的电阻成反比。
    该定律有助于确定有助于分析电路的三个未知参数的值。