Bändide teooria ja näidised



The bändi teooria on selline, mis määrab kindlaks tahke aine kui terviku elektroonilise struktuuri. Seda saab kasutada mis tahes tüüpi tahkete ainete puhul, kuid see on metallides, kus peegeldub selle suurim edu. Selle teooria kohaselt saadakse metallsideme positiivse laenguga ioonide ja kristallide mobiilsete elektronide vahelisest elektrostaatilisest atraktsioonist..

Seetõttu on metallkristallil "elektronide meri", mis võib selgitada selle füüsikalisi omadusi. Alumine pilt illustreerib metallist linki. Elektronide lillad täpid liigutatakse merre, mis ümbritseb positiivselt laetud metalliaatomid.

"Elektronide meri" on moodustatud iga metalli aatomi individuaalsetest panustest. Need panused on selle aatomite orbitaalid. Metallkonstruktsioonid on üldiselt kompaktsed; mida kompaktsemad nad on, seda suurem on nende aatomite vastastikune mõju.

Selle tulemusena kattuvad nende aatomite orbitaalid, et tekitada energias väga kitsaid molekulaarseid orbitaale. Elektronide meri on siis ainult suur hulk molekulaarseid orbitaale, millel on erinevad energiavahemikud. Nende energiate hulk moodustab energiariba.

Need ansamblid esinevad kristallide igas piirkonnas, mistõttu seda peetakse tervikuks ja sealt saab selle teooria määratlus.

Indeks

  • 1 Energiaribade mudel
    • 1.1 Fermi tase
  • 2 Pooljuhid
    • 2.1 Sisemised ja välised pooljuhid
  • 3 Rakendusriba teooria näited
  • 4 Viited

Energiaribade mudel

Kui metalli aatomi orbitaal suhtleb oma naabri orbitaaliga (N = 2), moodustuvad kaks molekulaarset orbitaali: üks side (roheline riba) ja üks anti-link (tumepunane riba).

Kui N = 3, moodustatakse nüüd kolm molekulaarset orbitaali, millest keskmine (must riba) on mittesiduv. Kui N = 4, siis moodustatakse neli orbiidi ja kõige rohkem siduva iseloomuga ning suurima külmutusteguriga orbiidid eraldatakse veelgi.

Molekulaarsete orbitaalide jaoks saadaval olev energiavahemik laieneb, kui kristallide metalliaatomid annavad oma orbitaalid. See toob kaasa ka orbitaalide vahelise energiavaru vähenemise, kuni nad kondenseeruvad ribal.

Orbitaalidest koosneval bändil on vähe energiat (rohelised ja kollased värvid) ja kõrge energiaga (oranžide ja punaste värvidega) piirkonnad. Nende energilised äärmused on madala tihedusega; enamik molekulaarseid orbitaale (valge triip) on aga keskel koondunud.

See tähendab, et elektronid töötavad kiiremini bändi keskel kui nende otstes.

Fermi tase

See on kõrgeim energiasisaldus, mis on elektronide poolt hõivatud absoluutses nulltemperatuuril (T = 0 K).

Kui bänd on ehitatud, hakkavad elektronid hõivama kõiki oma molekulaarseid orbitaale. Kui metallil on üks valentselektron (id)1), kõik selle kristallides olevad elektronid võtavad osa bändist.

Teine vaba pool on tuntud kui sõiduriba, samas kui elektronidega täis bändi nimetatakse valentsiks.

Ülemises pildis on A tüüpiline valentsiriba (sinine) ja juhtivusriba (valge) metallile. Sinakas piirjoon näitab Fermi taset.

Kuna metallidel on ka p-orbitaalid, kombineeruvad nad samamoodi kui p-riba (valge).

Metallide puhul on s ja p ribad energias väga lähedased. See võimaldab nende kattumist, soodustades valente riba elektroone juhtivusribale. See juhtub isegi temperatuuril alla 0 K.

Üleminekumetallide puhul ja ajavahemikust 4 allapoole on võimalik moodustada ka.

Fermi tase juhtivusriba suhtes on elektriliste omaduste määramisel väga oluline.

Näiteks on metall Z, mille Fermi tase on juhtivusribale väga lähedal (lähim tühja riba energias), kõrgem elektrijuhtivus kui X-metallil, mille Fermi tase on sellest ribast kaugel..

Pooljuhid

Elektrijuhtivus koosneb siis elektronide migratsioonist valentsiribast juhtivusribale.

Kui mõlema riba vaheline energiavälja on väga suur, on meil isoleeriv tahke aine (nagu B). Teisest küljest, kui see vahe on suhteliselt väike, on tahke aine pooljuht (C puhul)..

Seistes silmitsi temperatuuri tõusuga, omandavad valentsiriba elektronid piisavalt energiat juhtivusriba suunas liikumiseks. Selle tulemuseks on elektrivool.

Tegelikult on see tahkete või pooljuhtmaterjalide kvaliteet: toatemperatuuril on need isolaatorid, kuid kõrgetel temperatuuridel on nad juhtmed..

Sisemised ja välised pooljuhid

Sisemised juhid on need, kus valentsiriba ja juhtivusriba vaheline energiavälja on piisavalt väike, nii et soojusenergia võimaldab elektronide läbipääsu..

Teisest küljest eksisteerivad välised juhid nende elektroonilistes konstruktsioonides pärast dopingu lisandeid, mis suurendavad nende elektrijuhtivust. See lisand võib olla teine ​​metall või mitte-metalliline element.

Kui lisandil on rohkem valentselektoneid, võib see pakkuda doonorriba, mis toimib sildana valentsiriba elektronide jaoks, et ületada juhtivusribasse. Need tahked ained on n-tüüpi pooljuhid. Siin on n nimetus "negatiivne".

Ülemises pildis on doonorriba kujutatud sinises plokis sõiduriba all (tüüp n).

Teisest küljest, kui lisandil on vähem valentselektoneid, siis annab see aktseptorriba, mis lühendab valentsiriba ja sõiduriba vahelist energiavahet..

Elektronid rändavad kõigepealt selle riba poole, jättes maha "positiivsed augud", mis liiguvad vastupidises suunas.

Kuna need positiivsed lüngad tähistavad elektronide läbipääsu, on tahke aine või materjal p-tüüpi pooljuht..

Rakendusriba teooria näited

- Selgitage, miks metallid on heledad: nende mobiilsed elektronid võivad neelduda kiirgusega laia lainepikkuste vahemikku, kui nad hüppavad kõrgemale energia tasemele. Siis nad kiirgavad valgust, pöördudes tagasi sõiduriba madalamatele tasemetele.

- Kristalliline räni on kõige olulisem pooljuhtmaterjal. Kui räni osa seostatakse grupi 13 elemendi (B, Al, Ga, In, Tl) jälgedega, muutub see p-tüüpi pooljuhtiks. Kui see seostatakse rühma 15 elemendiga (N, P, As, Sb, Bi), muutub see n-tüüpi pooljuhtiks.

- Valgusdiood (LED) on ühine pooljuht p-n. Mida sa mõtled? Et materjalil on mõlemad pooljuhtid, nii n kui ka p. Elektronid migreeruvad n-tüüpi pooljuhtide juhtivusribalt p-tüüpi pooljuhtide valentsiriba..

Viited

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Keemia (8. väljaanne). CENGAGE Learning, p 486-490.
  2. Shiver & Atkins. (2008). Anorgaaniline keemia (Neljas väljaanne., Lk. 103-107, 633-635). Mc Grawi mägi.
  3. Laev C. R. (2016). Tahkete ainete teooria. Välja otsitud 28. aprillil 2018 alates: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  4. Steve Kornic (2011). Võlakirjade ja bändide vahel liikumine keemiku vaatepunktist. Välja otsitud 28. aprillil 2018 kellelt: chembio.uoguelph.ca
  5. Wikipedia. (2018). Väline pooljuht. Välja otsitud 28. aprillil 2018 kellelt: en.wikipedia.org
  6. BYJU. (2018). Metallide bänditeooria. Välja otsitud 28. aprillil 2018: byjus.com