Électronique de base - Bandes d'énergie
Dans les substances gazeuses, la disposition des molécules n'est pas proche. Dans les liquides, la disposition moléculaire est modérée. Mais, dans les solides, les molécules sont si étroitement disposées que les électrons des atomes des molécules ont tendance à se déplacer dans les orbitales des atomes voisins. Par conséquent, les orbitales électroniques se chevauchent lorsque les atomes se réunissent.
En raison du mélange d'atomes dans les solides, au lieu de niveaux d'énergie uniques, il y aura des bandes de niveaux d'énergie formées. Ces ensembles de niveaux d'énergie, qui sont étroitement emballés sont appelés commeEnergy bands.
Bande de cantonnière
Les électrons se déplacent dans les atomes à certains niveaux d'énergie, mais l'énergie des électrons de la couche la plus interne est plus élevée que celle des électrons de la couche la plus externe. Les électrons qui sont présents dans la coque la plus externe sont appelés commeValance Electrons.
Ces électrons de valance, contenant une série de niveaux d'énergie, forment une bande d'énergie appelée bande de Valence. levalence bandest la bande ayant l'énergie occupée la plus élevée .
Bande de conduction
Les électrons de valence sont si lâchement attachés au noyau que même à température ambiante, peu d'électrons de valence quittent la bande libre. Ceux-ci sont appelés commefree electrons car ils ont tendance à se déplacer vers les atomes voisins.
Ces électrons libres sont ceux qui conduisent le courant dans un conducteur et donc appelés comme Conduction Electrons. La bande qui contient des électrons de conduction est appeléeConduction Band. La bande de conduction est la bande ayant la plus faible énergie occupée .
Espace interdit
L'écart entre la bande de valence et la bande de conduction est appelé forbidden energy gap. Comme son nom l'indique, ce groupe est l'interdit sans énergie. Aucun électron ne reste donc dans cette bande. Les électrons de valence, en allant vers la bande de conduction, traversent celle-ci.
L'écart d'énergie interdit s'il est plus grand, signifie que les électrons de la bande de valence sont étroitement liés au noyau. Maintenant, afin de pousser les électrons hors de la bande de valence, une certaine énergie externe est nécessaire, qui serait égale à l'écart d'énergie interdit.
La figure suivante montre la bande de cantonnière, la bande de conduction et l'espace interdit.
En fonction de la taille de l'espace interdit, les isolateurs, les semi-conducteurs et les conducteurs sont formés.
Isolateurs
Les isolants sont de tels matériaux dans lesquels la conduction ne peut pas avoir lieu, en raison du grand espace interdit. Exemples: bois, caoutchouc. La structure des bandes d'énergie dans les isolateurs est illustrée dans la figure suivante.
Caractéristiques
Voici les caractéristiques des isolateurs.
Le fossé énergétique interdit est très important.
Les électrons de la bande de valance sont étroitement liés aux atomes.
La valeur de l'écart d'énergie interdit pour un isolant sera de 10eV.
Pour certains isolants, à mesure que la température augmente, ils peuvent montrer une certaine conduction.
La résistivité d'un isolant sera de l'ordre de 107 ohms-mètre.
Semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont de tels matériaux dans lesquels l'écart d'énergie interdit est petit et la conduction a lieu si une énergie externe est appliquée. Exemples: silicium, germanium. La figure suivante montre la structure des bandes d'énergie dans les semi-conducteurs.
Caractéristiques
Voici les caractéristiques des semi-conducteurs.
Le fossé énergétique interdit est très faible.
L'écart interdit pour Ge est de 0,7 eV alors que pour Si est de 1,1 eV.
Un semi-conducteur n'est en fait ni un isolant, ni un bon conducteur.
Lorsque la température augmente, la conductivité d'un semi-conducteur augmente.
La conductivité d'un semi-conducteur sera de l'ordre de 102 mho-mètre.
Conducteurs
Les conducteurs sont de tels matériaux dans lesquels l'écart d'énergie interdit disparaît lorsque la bande de valence et la bande de conduction deviennent très proches au point de se chevaucher. Exemples: cuivre, aluminium. La figure suivante montre la structure des bandes d'énergie dans les conducteurs.
Caractéristiques
Voici les caractéristiques des conducteurs.
Il n'existe aucun espace interdit dans un conducteur.
La bande de cantonnière et la bande de conduction se chevauchent.
Les électrons libres disponibles pour la conduction sont nombreux.
Une légère augmentation de la tension augmente la conduction.
Il n'y a pas de concept de formation de trous, car un flux continu d'électrons contribue au courant.
Termes importants
Il est nécessaire de discuter ici de quelques termes importants avant de passer aux chapitres suivants.
Actuel
C'est simplement le flux d'électrons. Un flux continu d'électrons ou de particules chargées peut être appelé courant. Il est indiqué parI ou i. Il est mesuré enAmperes. Il peut s'agir de courant alternatif AC ou de courant continu DC.
Tension
C'est la différence de potentiel. Lorsqu'il se produit une différence de potentiel, entre deux points, on dit qu'il y a une différence de tension, mesurée entre ces deux points. Il est indiqué parV. Il est mesuré enVolts.
La résistance
C'est la propriété de s'opposer au flux d'électrons. La possession de cette propriété peut être qualifiée de résistivité. Cela sera discuté plus tard en détail.
Loi d'Ohm
Avec les termes discutés ci-dessus, nous avons une loi standard, qui est très cruciale pour le comportement de tous les composants électroniques, appelée loi d'Ohm. Ceci indique la relation entre le courant et la tension dans un conducteur idéal.
According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.
$$ V \: \ alpha \: \: I $$
Un conducteur idéal n'a pas de résistance. Mais en pratique, chaque conducteur a une certaine résistance en lui. Lorsque la résistance augmente, la chute de potentiel augmente également et donc la tension augmente.
Par conséquent the voltage is directly proportional to the resistance it offers.
$$ V \: \ alpha \: \: R $$
$$ V = IR $$
Mais le current is inversely proportional to the resistance.
$$ V \: \ alpha \: \: I \: \ alpha \: \: \ frac {1} {R} $$
$$ I = V / R $$
Par conséquent, en pratique, une loi d'Ohm peut être définie comme -
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.
Cette loi est utile pour déterminer les valeurs de paramètres inconnus parmi les trois qui aident à analyser un circuit.