И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Рис 1.1. Плоская модель атома кремния

Валентная оболочка определяет химические свойства элемента. Ядро вместе с заполненными, оболочками образует постоянную часть атома, не подвергающуюся изменениям в химических процессах при изменениях температуры и протекании тока. С каждой оболочкой связана определенная энергия вращающихся на ней электронов. Чем дальше от ядра находится электрон, тем больше его энергия. Наибольшей энергией обладают валентные электроны.

Сообщая электронам энергию извне (температура, излучение), можно вызвать их переходы на оболочки с более высокими энергетическими уровнями. Атом с электронами, находящимися на более высоких энергетических уровнях, называется возбужденным атомом . Такое состояние является неустойчивым — электрон, возвращаясь на низший энергетический уровень, отдает приобретенную энергию в виде кванта энергии излучения. Определенная доза подводимой извне энергии может сделать электрон независимым от сил притяжения ядра. Атом, лишенный электрона, называется положительным ионом . Процесс возникновения ионов называется ионизацией . Существует обратное явление — соединение нона с электроном, называемое рекомбинацией .

Это диаграмма (рис. 1.2), представляющая энергетические свойства данного атома, называемая также зонной моделью атома . Для каждого слоя K, L, М … на этой диаграмме указывается численное значение энергии электронов, находящихся в этом слое (зоне).

Энергия выражается в электронвольтах [эВ]. Один электронвольт соответствует работе электрона при преодолении разности потенциалов, равной 1 В. Диаграмма энергетических уровней отражает законы квантовой механика, из которых следует, что каждый энергетический уровень может быть занят определенным числом электронов. Слой К содержит один энергетический уровень, слой L — два находящихся рядом уровня ( s — внутренний, требует для заполнения двух электронов, р — внешний — шести электронов), М — три уровня ( s, p, d ) и т д. Представленная на рис 1.2 диаграмма относится только к одиночному изолированному атому. Если атом находится в близком соседстве с другими атомами, например в твердом теле, то диаграмма энергетических уровней изменяется.

Рис. 1.2. Зонная модель атома

Это тело, в котором атомы или частицы образуют пространственную упорядоченную систему, называемую кристаллической решеткой , и удерживаются в этой системе благодаря силам взаимодействия. С точки зрения электропроводности твердые тела делятся на проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Такая диаграмма, называемая также зонной моделью твердого тела, принципиально отличается от диаграммы, составленной для изолированного одиночного атома (рис. 1.2), что является следствием взаимодействия между собой атомов, образующих кристаллическую решетку.

Рис. 1.3. Расщепление энергетических уровней в твердом теле

В соответствии с законами квантовой механики, согласно которым число электронов, находящихся на одном и том же энергетическом уровне, не может быть больше двух, связь атомов в кристаллической решетке и их взаимодействие вызывают расщепление энергетических уровней и возникновение многих новых уровней, расположенных близко одни к другому в пределах данного слоя. При этом энергетические уровни образуют энергетические зоны. В электронике особенно важны две зоны: валентная, называемая также основной, которая образуется при расщеплении валентных уровней отдельных атомов, и зона с более высокими энергетическими уровнями, чем уровни валентной зоны, называемая зоной проводимости (рис. 1.3). Находящиеся в этой зоне электроны могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля.

Это твердое тело (металл), проводящее электрический ток по принципу движения свободных электронов. С ростом температуры проводимость металлов убывает, а при очень низких температурах (близких к 0 К) становится очень большой (сверхпроводимость).

По структуре кристаллической решетки и диаграмме энергетических уровней проводник является телом, в котором зоны проводимости и валентная перекрываются (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Зонная модель проводника

Благодаря этому в кристаллической решетке существует высокая концентрация электронов, образующих так называемый электронный газ, который может свободно перемещаться в объеме металла под воздействием внешнего электрического поля.

Хорошими проводниками электрического тока являются медь, серебро, золото. Медь нашла широкое применение в виде проводников или соединений на печатных платах. Серебро, а особенно золото, из-за высокой стоимости используют значительно реже.

Основным параметром, определяющим проводник, является его электрическое сопротивление, выражающееся отношением падения напряжения на проводнике к протекающему по нему току. Хороший проводник оказывает малое сопротивление протеканию тока.

Электрическое сопротивление — параметр, зависящий от температуры.

Это тело, не проводящее электрический ток. Внутренняя структура диэлектрика (или изолятора) характеризуется полностью заполненной электронами валентной зоной и незаполненной зоной проводимости. Между зонами располагается широкая запрещенная зона (рис. 1.5), так что при нормальных условиях электроны не могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. Из-за отсутствия электронов в зоне проводимости диэлектрик не может проводить ток.

Pиc. 1.5. Зонная модель диэлектрика