基础电子学 - 能带

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在气体物质中，分子的排列不紧密。在液体中，分子的排列较为适中。但在固体中，分子排列得非常紧密，以至于分子中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。

由于固体中原子之间的相互混合，而不是单个能级，将会形成能级带。这些紧密排列的一组能级被称为能带。

价带

电子在原子中以一定的能级运动，但最内层电子壳层中的电子能量高于最外层电子壳层中的电子能量。存在于最外层电子壳层中的电子被称为价电子。

这些价电子包含一系列能级，形成一个称为价带的能带。价带是具有最高占据能量的能带。

导带

价电子与原子核的结合非常松散，即使在室温下，也有一些价电子离开能带而变得自由。这些被称为自由电子，因为它们倾向于向相邻原子移动。

这些自由电子是导体中导电的电子，因此被称为导电电子。包含导电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。顾名思义，这个能带是被禁止的，没有能量。因此，没有电子停留在该能带中。价电子在进入导带时，会穿过这个能带。

如果禁带较大，则意味着价带电子与原子核的结合很紧密。现在，为了将电子从价带中推出来，需要一些外部能量，这将等于禁带的能量。

下图显示了价带、导带和禁带。

根据禁带的大小，形成了绝缘体、半导体和导体。

绝缘体

绝缘体是由于禁带较大而无法导电的材料。例如：木材、橡胶。绝缘体中能带结构如下图所示。

特性

以下是绝缘体的特性。

• 禁带非常大。

• 价带电子与原子紧密结合。

• 绝缘体的禁带值为 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

半导体是禁带较小，如果施加一些外部能量，就会发生导电的材料。例如：硅、锗。下图显示了半导体中能带结构。

特性

以下是半导体的特性。

• 禁带非常小。

• 锗的禁带为 0.7eV，而硅的禁带为 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 摩西·米。

导体

导体是禁带消失，价带和导带非常接近，以至于它们重叠的材料。例如：铜、铝。下图显示了导体中能带结构。

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。

• 可用于导电的自由电子很多。

• 电压略有增加，导电性就会增加。

• 没有空穴形成的概念，因为电子的连续流动导致电流。

重要术语

在我们继续学习后续章节之前，有必要在这里讨论一些重要术语。

电流

它只是电子的流动。电子的连续流动或带电粒子的连续流动，可以称为电流。用I或i表示。以安培为单位测量。这可以是交流电 AC 或直流电 DC。

电压

它是电位差。当两点之间存在电位差时，就被认为存在电压差，在两点之间进行测量。用V表示。以伏特为单位测量。

电阻

它是阻碍电子流动的特性。拥有这种特性可以称为电阻率。稍后将详细讨论。

欧姆定律

根据上面讨论的术语，我们有一个标准定律，这对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其通过的电流成正比。

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

理想导体没有电阻。但在实践中，每个导体都具有一定的电阻。随着电阻的增加，压降也会增加，因此电压也会增加。

因此，电压与其提供的电阻成正比。

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

$$V = IR $$

但电流与其电阻成反比。

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

$$I = V/R $$

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。

该定律有助于确定三个未知参数中的值，从而有助于分析电路。