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。价带是占有能量最高的带。

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。

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。

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。

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。

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I或i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。

$$V\:\alpha\:\:R$$

$$V = IR $$

但电流与电阻成反比。

$$V\:\alpha\:\:I\:\alpha\:\:\frac{1}{R}$$

$$I = V/R $$

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。