Ζώνη αγωγιμότητας σε ημιαγωγούς και μεταλλικούς αγωγούς
Όπως γνωρίζουμε την έννοια της ζώνης αγωγιμότητας, αυτές είναι μια διαφορετική κατηγορία ζώνης ενεργειακών επιπέδων που δεν είναι γεμάτη με ηλεκτρόνια, καθώς είναι πολύ ευκίνητα και διαθέτουν χαρακτηριστικά ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Μπορεί επίσης να οριστεί ως μια σειρά από διαφορετικές ενεργειακές τιμές που βρίσκονται σε ένα δεδομένο στερεό υλικό. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να παραμένουν χωριστά από ένα συγκεκριμένο άτομο και να μεταφέρουν ένα ηλεκτρικό φορτίο μέσω του υλικού.
Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε λεπτομερώς τις ζώνες αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς και τους μεταλλικούς αγωγούς για να κατανοήσουμε τις διάφορες πτυχές τους.
Έννοια της ζώνης αγωγιμότητας
Η ζώνη αγωγιμότητας μπορεί να οριστεί ως η ζώνη των τροχιακών ηλεκτρονίων που μπορεί να μεταπηδήσει από ένα επίπεδο με χαμηλή ενέργεια σε ένα υψηλό ενεργειακό επίπεδο μόλις διεγερθεί. Όταν υπάρχουν ηλεκτρόνια σε αυτά τα τροχιακά, διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να πλοηγούνται ελεύθερα. Αυτή η μετατόπιση ηλεκτρονίων προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα για να σχηματίσει μια ζώνη αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς.
Το εξώτατο τροχιακό ηλεκτρονίων ενός δεδομένου ατόμου που υπάρχει σε οποιοδήποτε υλικό όπου καταλαμβάνονται ηλεκτρόνια δημιουργεί μια ζώνη σθένους. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ της χαμηλότερης κατειλημμένης κατάστασης και της υψηλότερης κατειλημμένης κατάστασης αναφέρεται ως διάκενο ζώνης. Υποδεικνύει τη δυνατότητα ενός υλικού να αγώγει ηλεκτρισμό. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ένα μεγάλο διάκενο ζώνης μπορεί να αναγνωριστεί από την ικανότητά του να διεγείρει ηλεκτρόνια σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας.
Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρόνια μπορούν εύκολα να μεταπηδήσουν μεταξύ δύο διαφορετικών ζωνών όταν ο δεσμός σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας διασταυρώνονται, υπονοώντας ότι το δεδομένο υλικό έχει καλά αγώγιμα χαρακτηριστικά.
Θεωρία ζώνης στερεών
Σύμφωνα με τη θεωρία ζωνών των στερεών, τα επίπεδα ενέργειας των επικαλυπτόμενων κελυφών ηλεκτρονίων είναι κάπως αλλαγμένα. Ωστόσο, τα κοντινά άτομα δεν έχουν καμία επίδραση στο ενεργειακό επίπεδο των ηλεκτρονίων που υπάρχουν στο πιο εσωτερικό μέρος. Εξέτασε τις δομές του ενεργειακού επιπέδου του στερεού και τον σχηματισμό ενεργειακών δεσμών που προκύπτει από πολλές καταστάσεις που βρίσκονται κοντά. Αυτή η θεωρία επιχειρεί επίσης να εξηγήσει την κβαντική κατάσταση των ηλεκτρονίων καθώς λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα μεταλλικό στερεό. Πολλαπλά διακριτά επίπεδα ενέργειας σχηματίζουν ένα μόριο, το οποίο εξηγείται με ακρίβεια για τη ζώνη αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς από τη θεωρία ζωνών των στερεών.
Τα ηλεκτρόνια υπάρχουν στις αντίστοιχες ενεργειακές τους τροχιές στα άτομα. Δύο διαφορετικά ατομικά τροχιακά ενώνονται και σχηματίζουν ένα μοριακό τροχιακό με δύο διαφορετικά επίπεδα ενέργειας στην περίπτωση των μορίων. Ωστόσο, στην περίπτωση των στερεών, αρκετές γραμμές περιορίζονται σε λίγο χώρο, γεγονός που δημιουργεί μια ζώνη που σχηματίζει τεράστια ενεργειακά κομμάτια που ονομάζονται ενεργειακές ζώνες.
Μπορούμε εύκολα να απεικονίσουμε τις υπάρχουσες διαφορές μεταξύ ημιαγωγών, μονωτών και αγωγών με τη βοήθεια αυτής της θεωρίας, καθώς βοηθά στην κατανόηση της διαθέσιμης ενέργειας που προορίζεται για τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν σε διαφορετικά υλικά. Έτσι, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η θεωρία ζώνης των στερεών παρέχει μια διορατική εξήγηση του ίδιου.
Ζώνη αγωγιμότητας σε ημιαγωγούς
Παρόμοια με την έννοια των ζωνών σθένους, οι ζώνες αγωγιμότητας είναι οι πιο κοντινές στα υπάρχοντα επίπεδα ενέργειας και βοηθούν στον προσδιορισμό της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός υλικού. Η ζώνη είναι η χαμηλότερη περιοχή κενών ηλεκτρονικών καταστάσεων στην περίπτωση της ζώνης αγωγιμότητας σε ημιαγωγούς και ηλεκτρικούς μονωτές. Για παράδειγμα, εάν προετοιμαστεί ένα γράφημα για να δείξει τη δομή της ηλεκτρονικής ζώνης ενός δεδομένου υλικού, θα ήταν προτιμότερο να εμφανιστεί ο δεσμός σθένους κάτω από το επίπεδο Fermi με τη ζώνη αγωγιμότητας τοποθετημένη πάνω από το ίδιο.
Ένα παράδειγμα ζώνης αγωγιμότητας σε ημιαγωγούς που μπορούμε να πάρουμε εδώ για να το καταλάβουμε καλύτερα είναι τα διαμάντια. Ανήκει στους λευκούς ημιαγωγούς με μεγάλες δυνατότητες και το υλικό αγωγού και ηλεκτρονικής συσκευής. Από την άλλη πλευρά, το γερμάνιο θα χρειαστεί να χειριστεί τις προκύπτουσες διαφορές στις θερμοκρασίες καθώς έχει σχετικά μικρή ενέργεια διάκενου ζώνης. Οι διαφορές μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και του σθένους δεν έχουν κανένα νόημα στην περίπτωση των μετάλλων. Είναι επειδή η αγωγιμότητα λαμβάνει χώρα μόνο στην περίπτωση μερικώς γεμισμένων ζωνών με βάση τις ιδιότητες τόσο της ζώνης αγωγιμότητας όσο και της ζώνης σθένους.
Ζώνη αγωγιμότητας σε μεταλλικούς αγωγούς
Στην περίπτωση των μεταλλικών αγωγών, δεν υπάρχει κενό μεταξύ των ζωνών αγωγιμότητας επειδή τα μέταλλα είναι αγωγοί και οι δύο παράγοντες αλληλοεπικαλύπτονται σε κάποιο σημείο. Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι διευκολύνει τη συνεχή παροχή ηλεκτρονίων στα υπάρχοντα τροχιακά που βρίσκονται σε κοντινή απόσταση. Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι δεν υπάρχει κενό μεταξύ των ζωνών ισορροπίας και συλλογής λόγω της αλληλοεπικάλυψης των δύο οντοτήτων.
Συμπέρασμα
Με λίγα λόγια, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι οι ζώνες αγωγιμότητας εμφανίζονται σε διαφορετικές μορφές σε διαφορετικά επίπεδα σε ημιαγωγούς και μεταλλικά στερεά. Στην περίπτωση των υλικών που ταξινομούνται στην κατηγορία των ημιαγωγών, δεν υπάρχει σχεδόν καμία ζώνη αγωγιμότητας λόγω της παρουσίας της ζώνης σθένους. Σχετίζεται επίσης βαθιά με τη δομή της ζώνης των ημιαγωγών και των μεταλλικών υλικών για να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τις ζώνες αγωγιμότητας στη σημασία του ημιαγωγού.
Το ένα έχει μηδενικά κενά ζώνης, ενώ το άλλο έχει σχετικά μικρότερο διάκενο ζώνης, χρησιμοποιώντας ότι η αντίστοιχη αγωγιμότητά τους βρίσκεται μεταξύ των χαρακτηριστικών ενός αγωγού και ενός μονωτή. Έτσι, οι ζώνες αγωγιμότητας παίρνουν διαφορετική μορφή στην περίπτωση ενός ημιαγωγού που δεν είναι ίδια με εκείνη ενός μεταλλικού στερεού.
