Elettronica di base - Fasce energetiche
Nelle sostanze gassose, la disposizione delle molecole non è vicina. Nei liquidi, la disposizione molecolare è moderata. Ma, nei solidi, le molecole sono così strettamente disposte che gli elettroni negli atomi delle molecole tendono a spostarsi negli orbitali degli atomi vicini. Quindi gli orbitali degli elettroni si sovrappongono quando gli atomi si uniscono.
A causa della mescolanza di atomi nei solidi, invece di singoli livelli di energia, si formeranno bande di livelli di energia. Questi set di livelli di energia, che sono strettamente imballati, sono chiamati comeEnergy bands.
Valance Band
Gli elettroni si muovono negli atomi a determinati livelli di energia, ma l'energia degli elettroni nel guscio più interno è maggiore degli elettroni nel guscio più esterno. Gli elettroni presenti nel guscio più esterno sono chiamati comeValance Electrons.
Questi elettroni di valance, contenenti una serie di livelli di energia, formano una banda di energia chiamata banda di valenza. Ilvalence bandè la fascia con la più alta energia occupata .
Banda di conduzione
Gli elettroni di valenza sono così liberamente attaccati al nucleo che anche a temperatura ambiente, pochi elettroni di valenza lasciano la banda libera. Questi sono chiamati comefree electrons poiché tendono a spostarsi verso gli atomi vicini.
Questi elettroni liberi sono quelli che conducono la corrente in un conduttore e quindi chiamati come Conduction Electrons. La banda che contiene gli elettroni di conduzione è chiamata comeConduction Band. La banda di conduzione è la banda con l'energia occupata più bassa .
Spazio proibito
Il divario tra banda di valenza e banda di conduzione è chiamato come forbidden energy gap. Come suggerisce il nome, questa band è quella proibita senza energia. Quindi nessun elettrone rimane in questa banda. Gli elettroni di valenza, mentre vanno alla banda di conduzione, passano attraverso questa.
Il gap energetico proibito, se maggiore, significa che gli elettroni della banda di valenza sono strettamente legati al nucleo. Ora, per spingere gli elettroni fuori dalla banda di valenza, è necessaria una certa energia esterna, che sarebbe uguale al gap energetico proibito.
La figura seguente mostra la fascia di valance, la fascia di conduzione e lo spazio proibito.
A seconda delle dimensioni dello spazio proibito, si formano gli isolanti, i semiconduttori e i conduttori.
Isolanti
Gli isolanti sono quei materiali in cui la conduzione non può avvenire a causa dell'ampio spazio proibito. Esempi: legno, gomma. La struttura delle fasce di energia negli isolanti è come mostrato nella figura seguente.
Caratteristiche
Le seguenti sono le caratteristiche degli isolanti.
Il divario energetico proibito è molto ampio.
Gli elettroni della banda di valance sono strettamente legati agli atomi.
Il valore del gap energetico proibito per un isolante sarà di 10eV.
Per alcuni isolanti, all'aumentare della temperatura, potrebbero mostrare una certa conduzione.
La resistività di un isolante sarà dell'ordine di 107 ohm-metro.
Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali in cui il gap energetico proibito è piccolo e la conduzione avviene se viene applicata una certa energia esterna. Esempi: silicio, germanio. La figura seguente mostra la struttura delle bande di energia nei semiconduttori.
Caratteristiche
Le seguenti sono le caratteristiche dei semiconduttori.
Il divario energetico proibito è molto piccolo.
Il divario proibito per Ge è 0,7eV mentre per Si è 1,1eV.
Un semiconduttore in realtà non è né un isolante, né un buon conduttore.
All'aumentare della temperatura, aumenta la conduttività di un semiconduttore.
La conducibilità di un semiconduttore sarà dell'ordine di 102 mho-metro.
Conduttori
I conduttori sono quei materiali in cui il gap energetico proibito scompare quando la banda di valenza e la banda di conduzione si avvicinano molto e si sovrappongono. Esempi: rame, alluminio. La figura seguente mostra la struttura delle bande di energia nei conduttori.
Caratteristiche
Le seguenti sono le caratteristiche dei conduttori.
Non esiste spazio proibito in un conduttore.
La fascia di mantovana e la fascia di conduzione si sovrappongono.
Gli elettroni liberi disponibili per la conduzione sono molti.
Un leggero aumento di tensione, aumenta la conduzione.
Non esiste il concetto di formazione di lacune, poiché un flusso continuo di elettroni contribuisce alla corrente.
Termini importanti
È necessario discutere qui alcuni termini importanti prima di passare ai capitoli successivi.
attuale
È semplicemente il flusso di elettroni. Un flusso continuo di elettroni o particelle cariche può essere definito corrente. È indicato daI o i. È misurato inAmperes. Può essere corrente alternata AC o corrente continua DC.
Voltaggio
È la potenziale differenza. Quando si verifica una differenza di potenzialità, tra due punti, si dice che ci sia una differenza di tensione, misurata tra quei due punti. È indicato daV. È misurato inVolts.
Resistenza
È la proprietà di opporsi al flusso di elettroni. Il possesso di questa proprietà può essere definito resistività. Questo sarà discusso in dettaglio più avanti.
Legge di Ohm
Con i termini discussi sopra, abbiamo una legge standard, che è molto cruciale per il comportamento di tutti i componenti elettronici, chiamata Legge di Ohm. Questo stabilisce la relazione tra corrente e tensione in un conduttore ideale.
According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.
$$ V \: \ alpha \: \: I $$
Un conduttore ideale non ha resistenza. Ma in pratica, ogni conduttore ha una certa resistenza. All'aumentare della resistenza, aumenta anche la caduta potenziale e quindi la tensione aumenta.
Quindi the voltage is directly proportional to the resistance it offers.
$$ V \: \ alpha \: \: R $$
$$ V = IR $$
Ma il current is inversely proportional to the resistance.
$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$
$$ I = V / R $$
Quindi, in pratica, la legge di Ohm può essere definita come:
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.
Questa legge è utile per determinare i valori di parametri sconosciuti tra i tre che aiutano ad analizzare un circuito.