Teoria modelu pasm i przykłady



The teoria pasma to taki, który definiuje elektronową strukturę bryły jako całości. Może być stosowany do każdego rodzaju bryły, ale znajduje się w metalach, w których odbijają się największe sukcesy. Zgodnie z tą teorią wiązanie metaliczne powstaje w wyniku przyciągania elektrostatycznego między jonami naładowanymi dodatnio a elektronami ruchomymi w krysztale.

Dlatego metaliczny kryształ ma „morze elektronów”, które może wyjaśnić jego właściwości fizyczne. Dolny obraz ilustruje połączenie metalowe. Purpurowe kropki elektronów są przenoszone w morzu, które otacza dodatnio naładowane atomy metalu.

„Morze elektronów” powstaje z indywidualnego wkładu każdego atomu metalu. Wkłady te to orbitale atomowe. Struktury metalowe są na ogół zwarte; im bardziej są zwarte, tym większe są oddziaływania między ich atomami.

W rezultacie ich orbitale atomowe nakładają się, tworząc bardzo wąskie orbitale molekularne energii. Morze elektronów jest wtedy tylko dużym zestawem orbitali molekularnych o różnych zakresach energii. Zakres tych energii tworzy tzw. Pasma energetyczne.

Te pasma są obecne w dowolnym obszarze kryształu, dlatego jest on traktowany jako całość i stąd pochodzi definicja tej teorii.

Indeks

  • 1 Model pasm energetycznych
    • 1.1 Poziom Fermiego
  • 2 półprzewodniki
    • 2.1 Wewnętrzne i zewnętrzne półprzewodniki
  • 3 Przykłady teorii zastosowanych pasm
  • 4 odniesienia

Model pasm energetycznych

Gdy orbital s atomu metalu wchodzi w interakcję z orbitalem sąsiada (N = 2), powstają dwa orbitale molekularne: jeden z wiązań (zielony pas) i jeden z anty-link (ciemny czerwony pas).

Jeśli N = 3, powstają trzy orbitale molekularne, z których środkowy (czarny pas) jest niewiążący. Jeśli N = 4, formowane są cztery orbitale, a ten o największym znaku wiążącym i ten o największej postaci przeciw zamarzaniu są dalej rozdzielane.

Zakres energii dostępnej dla orbitali molekularnych rozszerza się, gdy atomy metalu kryształu dostarczają orbitale. Powoduje to również zmniejszenie przestrzeni energetycznej między orbitalami do tego stopnia, że ​​kondensują się w paśmie.

Ten zespół złożony z orbitali ma obszary niskiej energii (te o kolorach zielonym i żółtym) i wysokiej energii (te o kolorach pomarańczowym i czerwonym). Ich energetyczne skrajności mają niską gęstość; jednak większość orbitali molekularnych (biały pasek) koncentruje się w środku.

Oznacza to, że elektrony „biegną szybciej” przez środek pasma niż na ich końcach.

Poziom Fermiego

Jest to najwyższy stan energii zajmowany przez elektrony w ciele stałym przy temperaturze absolutnego zera (T = 0 K).

Po zbudowaniu pasma elektrony zaczynają zajmować wszystkie swoje orbitale molekularne. Jeśli metal ma pojedynczy elektron (y) walencyjny (e)1), wszystkie elektrony w jego krysztale zajmą połowę pasma.

Druga niezajęta połowa jest znana jako pasmo napędowe, podczas gdy pasmo pełne elektronów nazywane jest pasmem walencyjnym.

Na górnym obrazie A reprezentuje typowe pasmo walencyjne (niebieskie) i pasmo przewodzenia (białe) dla metalu. Niebieskawa linia graniczna wskazuje poziom Fermiego.

Ponieważ metale mają również orbitale p, łączą się w ten sam sposób, aby utworzyć pasmo p (białe).

W przypadku metali pasma s i p są bardzo bliskie energii. Pozwala to na ich nakładanie się, promując elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Dzieje się tak nawet w temperaturach niewiele powyżej 0 K.

Dla metali przejściowych i od okresu 4 w dół możliwe jest również tworzenie pasm.

Poziom Fermiego w odniesieniu do pasma przewodnictwa jest bardzo ważny dla określenia właściwości elektrycznych.

Na przykład metal Z z poziomem Fermiego bardzo zbliżonym do pasma przewodnictwa (najbliższe puste pasmo energii) ma wyższą przewodność elektryczną niż metal X, w którym jego poziom Fermiego jest daleko od tego pasma..

Półprzewodniki

Przewodność elektryczna składa się następnie z migracji elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Jeśli przerwa energetyczna między obydwoma pasmami jest bardzo duża, mamy izolującą bryłę (jak w przypadku B). Z drugiej strony, jeśli ta luka jest stosunkowo mała, bryła jest półprzewodnikiem (w przypadku C).

W obliczu wzrostu temperatury elektrony w paśmie walencyjnym uzyskują wystarczającą ilość energii do migracji w kierunku pasma przewodnictwa. Powoduje to prąd elektryczny.

W rzeczywistości jest to jakość ciał stałych lub materiałów półprzewodnikowych: w temperaturze pokojowej są izolatorami, ale w wysokich temperaturach są przewodnikami.

Półprzewodniki wewnętrzne i zewnętrzne

Przewodniki wewnętrzne to takie, w których przerwa energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa jest wystarczająco mała, aby energia cieplna pozwalała na przepływ elektronów.

Z drugiej strony, zewnętrzne przewodniki wykazują zmiany w swoich strukturach elektronicznych po domieszkowaniu zanieczyszczeniami, które zwiększają ich przewodność elektryczną. Tym zanieczyszczeniem może być inny metal lub pierwiastek niemetaliczny.

Jeśli zanieczyszczenie ma więcej elektronów walencyjnych, może zapewnić pasmo dawcy, które służy jako pomost dla elektronów pasma walencyjnego, które przenikną do pasma przewodnictwa. Te ciała stałe są półprzewodnikami typu n. Tutaj oznaczenie n pochodzi od „negatywnego”.

Na górnym obrazie pasek dawcy jest zilustrowany na niebieskim bloku tuż pod pasmem napędowym (typ n).

Z drugiej strony, jeśli zanieczyszczenie ma mniej elektronów walencyjnych, zapewnia pasmo akceptora, co skraca przerwę energetyczną między pasmem walencyjnym a pasmem napędowym..

Elektrony najpierw migrują w kierunku tego pasma, pozostawiając „dodatnie dziury”, które poruszają się w przeciwnym kierunku.

Ponieważ te dodatnie luki oznaczają przejście elektronów, ciało stałe lub materiał jest półprzewodnikiem typu p..

Przykłady teorii stosowanych pasm

- Wyjaśnij, dlaczego metale są jasne: ich ruchome elektrony mogą pochłaniać promieniowanie w szerokim zakresie długości fal, gdy przeskakują na wyższe poziomy energii. Następnie emitują światło, wracając do niższych poziomów pasma napędowego.

- Krystaliczny krzem jest najważniejszym materiałem półprzewodnikowym. Jeśli część krzemu jest domieszkowana śladami pierwiastka grupy 13 (B, Al, Ga, In, Tl), staje się półprzewodnikiem typu p. Natomiast jeśli jest domieszkowany elementem grupy 15 (N, P, As, Sb, Bi) staje się półprzewodnikiem typu n.

- Dioda emitująca światło (LED) jest wspólnym półprzewodnikiem p-n. Co masz na myśli 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.

Referencje

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia (8 wyd.). CENGAGE Learning, str. 486-490.
  2. Shiver i Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna (Wydanie czwarte., Str. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
  3. Statek C. R. (2016). Pasmowa teoria ciał stałych. Źródło: 28 kwietnia 2018 r. Z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  4. Steve Kornic (2011). Przechodzenie od obligacji do zespołów z punktu widzenia chemika. Źródło: 28 kwietnia 2018 r. Z: chembio.uoguelph.ca
  5. Wikipedia. (2018). Półprzewodnik zewnętrzny. Źródło: 28 kwietnia 2018 r. Z: en.wikipedia.org
  6. BYJU. (2018). Teoria pasmowa metali. Źródło: 28 kwietnia 2018, z: byjus.com