基礎電子學 - 能帶

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在氣體物質中，分子的排列不緊密。在液體中，分子的排列較為適中。但在固體中，分子排列得非常緊密，以至於分子中原子中的電子傾向於移動到相鄰原子的軌道中。因此，當原子聚集在一起時，電子軌道會重疊。

由於固體中原子之間的相互混合，而不是單個能級，將會形成能級帶。這些緊密排列的一組能級被稱為能帶。

價帶

電子在原子中以一定的能級運動，但最內層電子殼層中的電子能量高於最外層電子殼層中的電子能量。存在於最外層電子殼層中的電子被稱為價電子。

這些價電子包含一系列能級，形成一個稱為價帶的能帶。價帶是具有最高佔據能量的能帶。

導帶

價電子與原子核的結合非常鬆散，即使在室溫下，也有一些價電子離開能帶而變得自由。這些被稱為自由電子，因為它們傾向於向相鄰原子移動。

這些自由電子是導體中導電的電子，因此被稱為導電電子。包含導電電子的能帶稱為導帶。導帶是具有最低佔據能量的能帶。

禁帶

價帶和導帶之間的間隙稱為禁帶。顧名思義，這個能帶是被禁止的，沒有能量。因此，沒有電子停留在該能帶中。價電子在進入導帶時，會穿過這個能帶。

如果禁帶較大，則意味著價帶電子與原子核的結合很緊密。現在，為了將電子從價帶中推出來，需要一些外部能量，這將等於禁帶的能量。

下圖顯示了價帶、導帶和禁帶。

根據禁帶的大小，形成了絕緣體、半導體和導體。

絕緣體

絕緣體是由於禁帶較大而無法導電的材料。例如：木材、橡膠。絕緣體中能帶結構如下圖所示。

特性

以下是絕緣體的特性。

• 禁帶非常大。

• 價帶電子與原子緊密結合。

• 絕緣體的禁帶值為 10eV。

• 對於某些絕緣體，隨著溫度升高，它們可能會表現出一些導電性。

• 絕緣體的電阻率約為 107 歐姆·米。

半導體

半導體是禁帶較小，如果施加一些外部能量，就會發生導電的材料。例如：矽、鍺。下圖顯示了半導體中能帶結構。

特性

以下是半導體的特性。

• 禁帶非常小。

• 鍺的禁帶為 0.7eV，而矽的禁帶為 1.1eV。

• 半導體實際上既不是絕緣體，也不是良好的導體。

• 隨著溫度升高，半導體的電導率增加。

• 半導體的電導率約為 102 摩西·米。

導體

導體是禁帶消失，價帶和導帶非常接近，以至於它們重疊的材料。例如：銅、鋁。下圖顯示了導體中能帶結構。

特性

以下是導體的特性。

• 導體中不存在禁帶。

• 價帶和導帶重疊。

• 可用於導電的自由電子很多。

• 電壓略有增加，導電性就會增加。

• 沒有空穴形成的概念，因為電子的連續流動導致電流。

重要術語

在我們繼續學習後續章節之前，有必要在這裡討論一些重要術語。

電流

它只是電子的流動。電子的連續流動或帶電粒子的連續流動，可以稱為電流。用I或i表示。以安培為單位測量。這可以是交流電 AC 或直流電 DC。

電壓

它是電位差。當兩點之間存在電位差時，就被認為存在電壓差，在兩點之間進行測量。用V表示。以伏特為單位測量。

電阻

它是阻礙電子流動的特性。擁有這種特性可以稱為電阻率。稍後將詳細討論。

歐姆定律

根據上面討論的術語，我們有一個標準定律，這對所有電子元件的行為都至關重要，稱為歐姆定律。它說明了理想導體中電流和電壓之間的關係。

根據歐姆定律，理想導體兩端的電位差與其透過的電流成正比。

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

理想導體沒有電阻。但在實踐中，每個導體都具有一定的電阻。隨著電阻的增加，壓降也會增加，因此電壓也會增加。

因此，電壓與其提供的電阻成正比。

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

$$V = IR $$

但電流與其電阻成反比。

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

$$I = V/R $$

因此，在實踐中，歐姆定律可以表述為：

根據歐姆定律，流過導體的電流與其兩端的電位差成正比，與其提供的電阻成反比。

該定律有助於確定三個未知引數中的值，從而有助於分析電路。