- Model pasma energetycznego
- Poziom Fermiego
- Półprzewodniki wewnętrzne i zewnętrzne
- Przykłady zastosowanej teorii pasmowej
- Bibliografia
Teoria pasm to taka, która definiuje strukturę elektronową bryły jako całości. Może być stosowany do każdego rodzaju ciała stałego, ale to w metalach odbija się jego największe sukcesy. Zgodnie z tą teorią wiązanie metaliczne wynika z przyciągania elektrostatycznego pomiędzy dodatnio naładowanymi jonami a ruchomymi elektronami w krysztale.
Dlatego metaliczny kryształ ma „morze elektronów”, co może wyjaśniać jego właściwości fizyczne. Poniższy obrazek ilustruje metaliczne ogniwo. Fioletowe kropki elektronów są zdelokalizowane w morzu otaczającym dodatnio naładowane atomy metalu.
„Morze elektronów” jest tworzone z indywidualnych wkładów każdego atomu metalu. Te dane wejściowe to twoje orbitale atomowe. Konstrukcje metalowe są na ogół zwarte; im są bardziej zwarte, tym większe są interakcje między ich atomami.
W konsekwencji ich orbitale atomowe nakładają się, tworząc bardzo wąskie orbitale molekularne energii. Morze elektronów jest wówczas niczym innym jak dużym zestawem orbitali molekularnych o różnych zakresach energii. Zakres tych energii tworzy tak zwane pasma energii.
Te pasma są obecne w dowolnych obszarach kryształu, dlatego jest traktowany jako całość i stąd pochodzi definicja tej teorii.
Model pasma energetycznego
Kiedy orbital s atomu metalu oddziałuje z orbitalem jego sąsiada (N = 2), powstają dwa orbitale molekularne: jeden z wiązaniem (zielony pas) i drugi z wiązaniem (ciemnoczerwony).
Jeśli N = 3, powstają teraz trzy orbitale molekularne, z których środkowy (czarny pas) jest niezwiązany. Jeśli N = 4, powstają cztery orbitale, a ten o największym charakterze wiążącym i ten o największym charakterze anty-wiążącym są dalej rozdzielane.
Zakres energii dostępnej dla orbitali molekularnych poszerza się, gdy atomy metalu w krysztale współtworzą swoje orbitale. Powoduje to również zmniejszenie przestrzeni energetycznej między orbitalami, do tego stopnia, że kondensują się one w pasmo.
To pasmo złożone z s orbitali ma regiony o niskiej energii (te w kolorze zielonym i żółtym) i wysokiej energii (te w kolorze pomarańczowym i czerwonym). Jej ekstrema energetyczne mają niską gęstość; jednak w centrum większość orbitali molekularnych jest skoncentrowana (białe pasmo).
Oznacza to, że elektrony „biegną szybciej” przez środek pasma niż przez jego końce.
Poziom Fermiego
Przewodnictwo elektryczne polega więc na migracji elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
Jeśli przerwa energetyczna między oboma pasmami jest bardzo duża, masz izolującą substancję stałą (jak w przypadku B). Z drugiej strony, jeśli ta szczelina jest stosunkowo mała, ciało stałe jest półprzewodnikiem (w przypadku C).
Gdy temperatura wzrasta, elektrony w paśmie walencyjnym uzyskują wystarczającą energię, aby migrować w kierunku pasma przewodnictwa. Powoduje to prąd elektryczny.
W rzeczywistości jest to jakość ciał stałych lub materiałów półprzewodnikowych: w temperaturze pokojowej izolują, ale w wysokich temperaturach przewodzą.
Półprzewodniki wewnętrzne i zewnętrzne
Przewodniki wewnętrzne to takie, w których przerwa energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa jest na tyle mała, że energia cieplna umożliwia przejście elektronów.
Z drugiej strony przewodniki zewnętrzne wykazują zmiany w swoich strukturach elektronowych po domieszkowaniu zanieczyszczeniami, co zwiększa ich przewodnictwo elektryczne. To zanieczyszczenie może być innym metalem lub pierwiastkiem niemetalicznym.
Jeśli zanieczyszczenie ma więcej elektronów walencyjnych, może zapewnić pasmo donorowe, które służy jako pomost dla elektronów z pasma walencyjnego, aby przejść do pasma przewodnictwa. Te ciała stałe są półprzewodnikami typu n. Tutaj nazwa n pochodzi od „negatywu”.
Na górnym obrazie prążek dawcy jest przedstawiony w niebieskim bloku tuż pod pasmem przewodnictwa (typ n).
Z drugiej strony, jeśli zanieczyszczenie ma mniej elektronów walencyjnych, zapewnia pasmo akceptorowe, które skraca lukę energetyczną między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa.
Elektrony najpierw migrują w kierunku tego pasma, pozostawiając „dodatnie dziury”, które poruszają się w przeciwnym kierunku.
Ponieważ te dodatnie dziury oznaczają przejście elektronów, ciało stałe lub materiał jest półprzewodnikiem typu p.
Przykłady zastosowanej teorii pasmowej
- Wyjaśnij, dlaczego metale są błyszczące: ich poruszające się elektrony mogą pochłaniać promieniowanie w szerokim zakresie długości fal, gdy przeskakują do wyższych poziomów energii. Następnie emitują światło, powracając do niższych poziomów pasma przewodnictwa.
- Krzem krystaliczny jest najważniejszym materiałem półprzewodnikowym. Jeśli część krzemu jest domieszkowana śladami pierwiastka z grupy 13 (B, Al, Ga, In, Tl), staje się półprzewodnikiem typu p. Natomiast domieszkowany pierwiastkiem z grupy 15 (N, P, As, Sb, Bi) staje się półprzewodnikiem typu n.
- Dioda elektroluminescencyjna (LED) to półprzewodnik pn board. Co to znaczy? Że materiał ma oba typy półprzewodników, zarówno n, jak i p. Elektrony migrują z pasma przewodnictwa półprzewodnika typu n do pasma walencyjnego półprzewodnika typu p.
Bibliografia
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, s. 486-490.
- Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Wydanie czwarte, str. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
- Nave CR (2016). Pasmowa teoria ciał stałych. Pobrane 28 kwietnia 2018 r.Z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Steve Kornic. (2011). Przejście od obligacji do zespołów z punktu widzenia chemika. Pobrane 28 kwietnia 2018 z: chembio.uoguelph.ca
- Wikipedia. (2018). Zewnętrzny półprzewodnik. Pobrane 28 kwietnia 2018 r.Z: en.wikipedia.org
- BYJU. (2018). Pasmowa teoria metali. Pobrane 28 kwietnia 2018 r.Z: byjus.com