Conduzione in materiali solidi
Il numero di elettroni nell'anello esterno di un atomo è ancora la ragione della differenza tra conduttori e isolanti. Come sappiamo, i materiali solidi vengono utilizzati principalmente nei dispositivi elettrici per realizzare la conduzione elettronica. Questi materiali possono essere separati in conduttori, semiconduttori e isolanti.
Tuttavia, conduttori, semiconduttori e isolanti sono differenziati da diagrammi del livello di energia. La quantità di energia necessaria per far sì che un elettrone lasci la sua banda di valenza e vada in conduzione sarà considerata qui. Il diagramma è un composto di tutti gli atomi all'interno del materiale. I diagrammi del livello di energia di isolanti, semiconduttori e conduttori sono mostrati nella figura seguente.
Banda di valenza
La parte inferiore è il file valence band. Rappresenta i livelli di energia più vicini al nucleo dell'atomo ei livelli di energia nella banda di valance contengono il numero corretto di elettroni necessari per bilanciare la carica positiva del nucleo. Quindi, questa band si chiamafilled band.
Nella banda di valenza, gli elettroni sono strettamente legati al nucleo. Spostandosi verso l'alto nel livello di energia, gli elettroni sono più leggermente legati in ogni livello successivo verso il nucleo. Non è facile disturbare gli elettroni nei livelli di energia più vicini al nucleo, poiché il loro movimento richiede energie maggiori e ogni orbita di elettroni ha un livello di energia distinto.
Banda di conduzione
La banda superiore o più esterna nel diagramma è chiamata conduction band. Se un elettrone ha un livello di energia, che si trova all'interno di questa banda, ed è relativamente libero di muoversi nel cristallo, allora conduce corrente elettrica.
Nell'elettronica dei semiconduttori, ci occupiamo principalmente delle bande di valenza e di conduzione. Di seguito sono riportate alcune informazioni di base su di esso:
La banda di valenza di ogni atomo mostra i livelli di energia degli elettroni di valenza nel guscio esterno.
Una quantità definita di energia deve essere aggiunta agli elettroni di valenza per farli entrare nella banda di conduzione.
Forbidden Gap
Le bande di valenza e conduzione sono separate da uno spazio, ovunque esista, chiamato intervallo proibito. Per attraversare il divario proibito è necessaria una quantità definita di energia. Se è insufficiente, gli elettroni non vengono rilasciati per la conduzione. Gli elettroni rimarranno nella banda di valenza fino a quando non riceveranno ulteriore energia per attraversare il divario proibito.
Lo stato di conduzione di un particolare materiale può essere indicato dall'ampiezza dello spazio proibito. Nella teoria atomica, l'ampiezza del gap è espressa in elettronvolt (eV). Un elettron volt è definito come la quantità di energia guadagnata o persa quando un elettrone è soggetto a una differenza di potenziale di 1 V. Gli atomi di ciascun elemento hanno un valore di livello di energia diverso che consente la conduzione.
Nota che il forbidden regiondi un isolante è relativamente ampio. Per far entrare in conduzione un isolante sarà necessaria una grande quantità di energia. Ad esempio, Thyrite.
Se gli isolanti vengono azionati ad alte temperature, la maggiore energia termica fa sì che gli elettroni della banda di valenza si spostino nella banda di conduzione.
Come risulta chiaro dal diagramma delle bande di energia, la distanza proibita di un semiconduttore è molto più piccola di quella di un isolante. Ad esempio, il silicio deve guadagnare 0,7 eV di energia per entrare nella banda di conduzione. A temperatura ambiente, l'aggiunta di energia termica può essere sufficiente per provocare la conduzione in un semiconduttore. Questa particolare caratteristica è di grande importanza nei dispositivi elettronici a stato solido.
Nel caso di un conduttore, la banda di conduzione e la banda di valenza si sovrappongono parzialmente l'una all'altra. In un certo senso, non c'è spazio proibito. Pertanto, gli elettroni della banda di valenza sono in grado di rilasciare per diventare elettroni liberi. Normalmente a temperatura ambiente normale avviene una piccola conduzione elettrica all'interno del conduttore.