基础电子学 - 能带

在气态物质中，分子排列并不紧密。在液体中，分子排列适中。但在固体中，分子排列非常紧密，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，将形成能级带，而不是单一能级。这些紧密堆积的能级集称为能带。

价带

电子在原子中以某些能级移动，但最内层电子的能量高于最外层电子。最外层电子称为价电子。

这些价​​电子包含一系​​列能级，形成一个能带，称为价带。价带是具有最高占用能量的能带。

导带

价电子与原子核的结合非常松散，即使在室温下，也很少有价电子离开能带而自由。这些电子被称为自由电子，因为它们倾向于向相邻的原子移动。

这些自由电子是导体中传导电流的电子，因此被称为传导电子。包含传导电子的能带称为导带。导带是具有最低占据能量的能带。

禁带

价带和导带之间的间隙称为禁带能隙。顾名思义，这个能带是没有能量的禁带。因此没有电子停留在这个能带中。价电子在进入导带时会穿过这个能隙。

如果禁带能隙较大，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，该能量等于禁带间隙。

下图显示了价带、导带和禁带间隙。

根据禁带间隙的大小，形成绝缘体、半导体和导体。

绝缘体

绝缘体是由于禁带间隙较大而无法进行导电的材料。例如：木材、橡胶。绝缘体中的能带结构如下图所示。

特性

以下是绝缘体的特性。

• 禁带能隙非常大。

• 价带电子与原子紧密结合。

• 绝缘体的禁带能隙值为 10eV。

• 对于某些绝缘体，随着温度升高，它们可能会表现出一些导电性。

• 绝缘体的电阻率约为 107 欧姆-米。

半导体

半导体是指禁带宽度较小，且在施加外部能量时会发生传导的材料。例如：硅、锗。下图显示了半导体中的能带结构。

特性

以下是半导体的特性。

• 禁带宽度非常小。

• Ge 的禁带宽度为 0.7eV，而 Si 的禁带宽度为 1.1eV。

• 半导体实际上既不是绝缘体，也不是良好的导体。

• 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姆欧米。

导体

导体是这样一种材料，当价带和导带变得非常接近以至于重叠时，禁带隙就会消失。例如：铜、铝。下图显示了导体中的能带结构。

特性

以下是导体的特性。

• 导体中不存在禁带。

• 价带和导带重叠。

• 可用于传导的自由电子很多。

• 电压略有增加，传导增加。

• 没有空穴形成的概念，因为连续的电子流会产生电流。

重要术语

在我们继续讨论后续内容之前，有必要在这里讨论几个重要术语章节。

电流

它只是电子的流动。连续的电子或带电粒子流可以称为电流。它用I或i表示。以安培为单位。这可以是交流电AC或直流电DC。

电压

它是电位差。当两点之间出现电位差时，就说两点之间有电压差，测量结果为V。以伏特为单位。

电阻

它是阻碍电子流动的性质。拥有这种性质可以称为电阻率。稍后将详细讨论这一点。

欧姆定律

根据上述术语，我们得到了一个标准定律，该定律对于所有电子元件的行为都至关重要，称为欧姆定律。它说明了理想导体中电流和电压之间的关系。

根据欧姆定律，理想导体两端的电位差与流过它的电流成正比。

$$V\:\alpha\:\:I$$

理想导体没有电阻。但实际上，每个导体都有一定的电阻。随着电阻的增加，电位降也会增加，因此电压也会增加。

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，流过导体的电流与导体两端的电位差成正比，与导体提供的电阻成反比。

该定律有助于确定三个未知参数中的值，从而有助于分析电路。