Valenz- und Leitungsband

Ich habe gerade angefangen, einige grundlegende Konzepte der Halbleiterelektronik zu lesen. Ich habe Probleme bezüglich der folgenden Punkte, daher wäre es großartig, wenn Sie die folgenden Punkte ansprechen könnten

1.Warum ist das Valenzband bei 0 K vollständig gefüllt und das Leitungsband bei gleicher Temperatur vollständig leer?

Ich weiß, dass es etwas mit dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik zu tun hat, dass ein System bei 0 K eine minimale Zufälligkeit hat, aber wenn Elektronen in einem einzigen Band sind, erhöht es die Zufälligkeit. Nicht wahr? Bitte geben Sie mir etwas Intuition und korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege irgendwo.

2. Stimmt es immer, dass die Anzahl der Energiezustände im Valenzband gleich der Anzahl der Energiezustände im Leitungsband im Festkörper eines Halbleiters ist? Anzahl der Energiezustände ist gleich der Summe der maximal zulässigen Elektronen in der äußeren Hülle des Atoms

Zum Beispiel hat Silizium 4 Elektronen (3s 2 , 3p 2 ) in seiner äußersten Schale. Für n Siliziumatome in einem Festkörper ist es notwendigerweise wahr, dass es 8n Zustände gibt, die gleichmäßig auf Leitungs- und Valenzbänder verteilt sind. Die 4n Zustände des Valenzbandes vollständig gefüllt sind, während 4n Zustände des Leitungsbandes leer sind. Dies ist der Fall, wenn der Festkörperhalbleiter nicht angeregt wird.

Ich konnte im Grunde nicht erkennen, was die Intuition hinter diesen Tatsachen ist. Mein Lehrer sagt, dass es eine Theorie ist und ich sie über den Haufen werfen muss. Aber ich bin nicht zufrieden. Jede Intuition oder Argumentation wird viel helfen.

3. Warum nimmt die Sperrschichtbreite ab, wenn eine pn-Übergangsdiode in Durchlassrichtung vorgespannt ist?

Ich weiß, dass bei Vorwärtsvorspannung die angelegte Spannung aufgrund der Ansammlung von Ladungen in der Verarmungsschicht der eingebauten Spannung entgegengesetzt ist. Auch in diesem Fall steigt der Diffusionsstrom um ein Vielfaches an, aber der Driftstrom wird vernachlässigbar.

4.Wie funktioniert ein Transformatorgleichrichter mit Mittelanzapfung?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich konnte nicht ganz verstehen, welche Rolle der Mittelabgriff in diesem Fall spielt und wie er dazu beiträgt, einen fluktuierenden Vollwellen-Gleichstrom zu erzeugen.

Bitte zögern Sie nicht zu antworten, wenn Sie auf eine oder zwei der Fragen nicht die richtige Vorstellung haben. Vielen Dank im Voraus.

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Antworten (1)

In Bezug auf Ihre Fragen:

  1. Bei T = 0 K ist das Valenzband vollständig gefüllt und das Leitungsband vollständig leer, da dies das Kennzeichen eines Halbleiters ist, dass er beim absoluten Nullpunkt zum Isolator wird. Der Grund dafür ist, dass das Fermi-Niveau in der Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband liegt. Dies ist auch bei Isolatoren der Fall, die größere Bandlücken als Halbleiter haben. Im Gegensatz dazu haben Metalle in (überlappenden) Bändern ein Fermi-Niveau, das bei T = 0 K teilweise leer bleibt, so dass sie im Prinzip bis zum absoluten Nullpunkt leitend sind. Bei endlichen Temperaturen ist sowohl in Halbleitern als auch in Isolatoren die Anzahl der Elektronen, die genügend Energie haben, um vom Valenzband in das Leitungsband zu springen (und damit die Anzahl der im Valenzband zurückgelassenen Löcher), proportional zu exp ⁡ ( − E G k T ) . Bei 0 K bleiben sowohl in Halbleitern als auch in Isolatoren alle Elektronen in ihrem Zustand mit der niedrigsten Energie innerhalb des Valenzbandes. Der Übergang von einem Halbleiter zu einem Isolator ist allmählich. Üblicherweise liegen Halbleiter-Bandlücken zwischen mehreren 0,1 eV bis 4,0 eV und Isolator-Bandlücken sind größer als 4,0 eV.

  2. Es ist im Prinzip richtig, dass beim Zusammenfügen von n Atomen zu einem Kristall die 8 erlaubt ist 3 S 2 3 P 2 Energiezustände eines Atoms (4x2 aufgrund des Spins) in der N=3-Schale des Si- oder Ge-Atoms werden in 4xn-Zustände im Leitungsband und 4xn-Zustände im Valenzband aufgespalten. Dies ist ein häufiger Effekt gekoppelter Systeme mit identischen Energieniveaus. Jedes Energieniveau zerfällt in eine Anzahl leicht unterschiedlicher Energien, die der Anzahl der Kopplungspartner entspricht. Ein klassisches Beispiel sind zwei gekoppelte harmonische Oszillatoren, bei denen sich die identischen Resonanzfrequenzen in zwei Resonanzfrequenzen aufspalten. Drei gekoppelte Oszillatoren haben drei Resonanzfrequenzen usw.

  3. In Vorwärtsrichtung nimmt die Verarmungsbreite ab, weil die angelegte Spannung den Spannungsabfall über der für die eingebaute Spannung verantwortlichen Raumladungsschicht verringert. Bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung steigen in den quasi-neutralen n- und p-Bereichen die Diffusionsströme der injizierten Minoritätsträger exponentiell mit der Spannung, da die Dichte der injizierten Träger exponentiell ansteigt. Diese Diffusionsströme setzen sich teilweise als Driftströme fort, z. B. in der Verarmungszone und in der Nähe der Kontakte.

  4. Ist leicht verständlich. Siehe zB den deutschen Wikipedia Mittelpunktgleichrichter , woher deine Graphen zu stammen scheinen.

danke für Ihre Antwort. Aber der Link, den Sie in der vierten Antwort angegeben haben, liefert nicht die erforderliche Antwort. Ich hatte bereits die englische Wikipedia-Seite zum gleichen Thema überprüft, bevor ich die Frage gestellt habe. Meine Hauptfrage ist der Mechanismus des Vollwellengleichrichters mit Transformator mit Mittelanzapfung.
@navinstudent Ich schlage wirklich vor, dass Sie die Gleichrichterfrage separat stellen. Bis jetzt werden es nur wenige Leute, die Erfahrung mit Elektronik haben, in einer Frage mit dem Titel „Valenz- und Leitungsbänder“ sehen. Denken Sie daran, dass es auch einen Electrical Engineering Stack gibt .
@navinstudent - Ich unterstütze den Vorschlag von Svavil, die Gleichrichterfrage 4 als separate Frage zu posten, damit sie von der Community besser erkannt und beantwortet werden kann.
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