Conduction dans les matériaux solides
Le nombre d'électrons dans l'anneau externe d'un atome est toujours la raison de la différence entre les conducteurs et les isolants. Comme nous le savons, les matériaux solides sont principalement utilisés dans les appareils électriques pour réaliser la conduction électronique. Ces matériaux peuvent être séparés en conducteurs, semi-conducteurs et isolants.
Cependant, les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants sont différenciés par des diagrammes de niveau d'énergie. La quantité d'énergie nécessaire pour amener un électron à quitter sa bande de valence et à entrer en conduction sera prise en compte ici. Le diagramme est un composite de tous les atomes du matériau. Les diagrammes de niveau d'énergie des isolants, des semi-conducteurs et des conducteurs sont illustrés dans la figure suivante.
Valence Band
La partie inférieure est le valence band. Il représente les niveaux d'énergie les plus proches du noyau de l'atome et les niveaux d'énergie dans la bande de cantonnière contiennent le nombre correct d'électrons nécessaire pour équilibrer la charge positive du noyau. Ainsi, cette bande s'appelle lefilled band.
Dans la bande de valence, les électrons sont étroitement liés au noyau. En se déplaçant vers le haut dans le niveau d'énergie, les électrons sont plus légèrement liés à chaque niveau suivant vers le noyau. Il n'est pas facile de perturber les électrons dans les niveaux d'énergie plus proches du noyau, car leur mouvement nécessite des énergies plus importantes et chaque orbite d'électrons a un niveau d'énergie distinct.
Bande de conduction
La bande supérieure ou extérieure du diagramme est appelée conduction band. Si un électron a un niveau d'énergie, qui se situe dans cette bande, et est relativement libre de se déplacer dans le cristal, alors il conduit le courant électrique.
En électronique à semi-conducteurs, nous nous intéressons principalement aux bandes de valence et de conduction. Voici quelques informations de base à ce sujet -
La bande de valence de chaque atome montre les niveaux d'énergie des électrons de valence dans la coque externe.
Une quantité définie d'énergie doit être ajoutée aux électrons de valence pour les amener à entrer dans la bande de conduction.
Espace interdit
Les bandes de valence et de conduction sont séparées par un espace, partout où il existe, appelé écart interdit. Pour franchir l'espace interdit, une quantité d'énergie définie est nécessaire. S'il est insuffisant, les électrons ne sont pas libérés pour la conduction. Les électrons resteront dans la bande de valence jusqu'à ce qu'ils reçoivent de l'énergie supplémentaire pour traverser l'espace interdit.
L'état de conduction d'un matériau particulier peut être indiqué par la largeur de l'espace interdit. En théorie atomique, la largeur de l'écart est exprimée en électron-volts (eV). Un électron-volt est défini comme la quantité d'énergie gagnée ou perdue lorsqu'un électron est soumis à une différence de potentiel de 1 V. Les atomes de chaque élément ont une valeur de niveau d'énergie différente qui permet la conduction.
Notez que le forbidden regiond'un isolant est relativement large. La mise en conduction d'un isolant nécessitera une très grande quantité d'énergie. Par exemple, Thyrite.
Si les isolateurs fonctionnent à des températures élevées, l'augmentation de l'énergie thermique amène les électrons de la bande de valence à se déplacer dans la bande de conduction.
Comme il ressort clairement du diagramme de bande d'énergie, l'écart interdit d'un semi-conducteur est beaucoup plus petit que celui d'un isolant. Par exemple, le silicium a besoin de gagner 0,7 eV d'énergie pour entrer dans la bande de conduction. A température ambiante, l'ajout d'énergie thermique peut être suffisant pour provoquer une conduction dans un semi-conducteur. Cette caractéristique particulière est d'une grande importance dans les dispositifs électroniques à semi-conducteurs.
Dans le cas d'un conducteur, la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent partiellement. En un sens, il n'y a pas de vide interdit. Par conséquent, les électrons de la bande de valence sont capables de se libérer pour devenir des électrons libres. Normalement, à température ambiante normale, peu de conduction électrique a lieu dans le conducteur.