Bändimallin ja esimerkkien teoria



yhtyeen teoria on sellainen, joka määrittelee koko kiinteän aineen elektronisen rakenteen. Sitä voidaan käyttää minkä tahansa tyyppiseen kiinteään aineeseen, mutta se on metalleissa, joissa sen suurimmat menestykset heijastuvat. Tämän teorian mukaan metallinen sidos syntyy positiivisesti varautuneiden ionien ja kiteissä olevien liikkuvien elektronien välisestä sähköstaattisesta vetovoimasta..

Siksi metallikiteellä on "elektronien meri", joka voi selittää sen fysikaaliset ominaisuudet. Alempi kuva kuvaa metallilinkkiä. Elektronien violetit pisteet siirretään merelle, joka peittää positiivisesti varautuneet metalliatomit.

"Elektronien meri" muodostuu kunkin metalliatomin yksittäisistä panoksista. Nämä maksut ovat sen atomipallot. Metallirakenteet ovat yleensä kompakteja; mitä pienempiä ne ovat, sitä suurempi on niiden atomien välinen vuorovaikutus.

Tämän seurauksena niiden atomipallot päällekkäin tuottavat hyvin kapeita molekyylirakeita energiaan. Elektronien meri on sitten vain suuri joukko molekyylejä, joilla on erilaisia ​​energialähteitä. Näiden energioiden valikoima muodostavat energiakanavat.

Nämä nauhat ovat läsnä missä tahansa kristallin alueella, minkä vuoksi sitä pidetään kokonaisuutena, ja sieltä tulee tämän teorian määritelmä.

indeksi

  • 1 Energiavyöhykkeiden malli
    • 1.1 Fermin taso
  • 2 Puolijohteet
    • 2.1 Sisäiset ja ulkoiset puolijohteet
  • 3 Esimerkkejä sovelletun kaistan teoriasta
  • 4 Viitteet

Energialohkojen malli

Kun metalliatomin s orbitaali on vuorovaikutuksessa naapurinsa (N = 2) kanssa, muodostuu kaksi molekyyliorbitaalia: yksi sidoksesta (vihreä nauha) ja toinen anti-linkistä (tummanpunainen nauha).

Jos N = 3, muodostuu nyt kolme molekyyliorbitaalia, joista keskimmäinen (musta nauha) ei ole sitova. Jos N = 4, muodostuu neljä kiertorataa ja suurin sidosmerkkinen ja suurin jäätymisenestomerkki..

Molekulaaristen orbitaalien käytettävissä oleva energialuokka laajenee, kun kiteen metalliatomit tarjoavat niiden orbitaalit. Tämä johtaa myös energiapinta-alan vähenemiseen orbitaalien välillä siihen pisteeseen, että ne tiivistyvät kaistalle.

Orbitaaleista koostuvalla bändillä on alhaisen energian alueita (vihreitä ja keltaisia ​​värejä) ja suurta energiaa (oranssin ja punaisen värin). Niiden energiset äärimmäisyydet ovat alhaisia; kuitenkin suurin osa molekyylirakenteista (valkoinen raita) on keskitetty keskelle.

Tämä tarkoittaa, että elektronit "juoksevat nopeammin" bändin keskellä kuin niiden päissä.

Fermin taso

Se on korkein energia-tila, jonka elektronit ovat kiinteässä kiinteässä absoluuttisessa nolla-lämpötilassa (T = 0 K).

Kun bändi on rakennettu, elektronit alkavat miehittää kaikki niiden molekyylirajat. Jos metallissa on yksi valenssielektroni (t)1), kaikki sen kiteen elektronit vievät puolet bändistä.

Toinen tyhjä puoli tunnetaan ajo- bändinä, kun taas elektroneja täynnä oleva bändi kutsutaan valenssikaistaksi.

Ylemmässä kuvassa A edustaa tyypillistä valenssikaistaa (sininen) ja johtavuusnauhaa (valkoinen) metallille. Sinertävä raja viittaa Fermin tasoon.

Koska metalleissa on myös p-orbitaaleja, ne yhdistyvät samalla tavalla kuin p-nauha (valkoinen).

Metallien tapauksessa s- ja p-nauhat ovat hyvin lähellä energiaa. Tämä sallii niiden päällekkäisyydet ja edistää elektroneja valenssikaistalta johtavuuskaistalle. Tämä tapahtuu jopa lämpötiloissa, jotka ovat hieman yli 0 K.

Siirtymämetallien ja ajanjakson 4 alaspäin on mahdollista muodostaa myös nauhoja.

Fermin taso johtumisnauhan suhteen on erittäin tärkeää sähköisten ominaisuuksien määrittämiseksi.

Esimerkiksi metallilla Z, jolla on Fermi-taso, joka on hyvin lähellä johtavuusnauhaa (lähin tyhjä nauha energiaa), on suurempi sähkönjohtavuus kuin X-metallilla, jossa sen Fermi-taso on kaukana kyseisestä kaistasta..

Puolijohteet

Sitten sähkönjohtavuus muodostuu elektronien siirtymisestä valenssikaistalta johtavuuskaistalle.

Jos molempien nauhojen välinen energiavälin on hyvin suuri, meillä on eristävä kiinteä aine (kuten B: llä). Toisaalta, jos tämä aukko on suhteellisen pieni, kiinteä aine on puolijohde (C: n tapauksessa)..

Lämpötilan noustessa valenssikaistan elektronit hankkivat tarpeeksi energiaa siirtymiseksi johtavuustasolle. Tämä johtaa sähkövirtaan.

Itse asiassa tämä on kiinteiden aineiden tai puolijohdemateriaalien laatu: huoneenlämmössä ne ovat eristeitä, mutta korkeissa lämpötiloissa ne ovat johtimia.

Sisäiset ja ulkoiset puolijohteet

Sisäiset johtimet ovat sellaisia, joissa valenssikaistan ja johtosarjan välinen energiaväli on niin pieni, että lämpöenergia mahdollistaa elektronien kulun..

Toisaalta ulkoiset johtimet muuttavat elektronisia rakenteitaan dopingin jälkeen epäpuhtauksilla, jotka lisäävät niiden sähköä johtavuutta. Tämä epäpuhtaus voi olla toinen metalli tai ei-metallinen elementti.

Jos epäpuhtaudella on enemmän valenssielektroneja, se voi tarjota luovuttajanauhan, joka toimii sillana valenssikaistan elektronien ylittämiseen johtavuuskaistalle. Nämä kiinteät aineet ovat n-tyypin puolijohteita. Tässä n-merkintä tulee "negatiivisesta".

Ylemmässä kuvassa luovuttajanauha on esitetty sinisen lohkon alla ajoalueen alapuolella (tyyppi n).

Toisaalta, jos epäpuhtaudella on vähemmän valenssielektroneja, se tarjoaa akseptorikaistan, joka lyhentää valenssikaistan ja ajoalueen välistä energiavälia..

Elektronit siirtyvät ensin tähän bändiin, jättäen jälkeensä "positiivisia reikiä", jotka liikkuvat vastakkaiseen suuntaan.

Koska nämä positiiviset aukot merkitsevät elektronien kulkua, kiinteä aine tai materiaali on p-tyypin puolijohde..

Esimerkkejä sovelletun kaistan teoriasta

- Selitä, miksi metallit ovat kirkkaita: niiden liikkuvat elektronit voivat absorboida säteilyä laajalla aallonpituusalueella, kun ne siirtyvät korkeampiin energiamääriin. Sitten ne säteilevät valoa, palaten ajoalueen alemmille tasoille.

- Kiteinen pii on tärkein puolijohdemateriaali. Jos osa piistä seostetaan ryhmän 13 elementin (B, Al, Ga, In, Tl) jälkeillä, siitä tulee p-tyypin puolijohde. Jos se seostetaan ryhmän 15 elementillä (N, P, As, Sb, Bi), siitä tulee n-tyypin puolijohde.

- Valoa emittoiva diodi (LED) on yhteinen puolijohde p-n. Mitä tarkoitat? Että materiaalissa on molemmat puolijohdetyypit, sekä n että p. Elektronit kulkeutuvat n-tyypin puolijohteiden johtavuuskaistasta p-tyypin puolijohdekomponentin valenssikaistalle.

viittaukset

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemia. (8. painos). CENGAGE Learning, s. 486-490.
  2. Shiver & Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia (Neljäs painos., S. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
  3. Laiva C. R. (2016). Kiinteän aineen bändin teoria. Haettu 28. huhtikuuta 2018 osoitteesta: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  4. Steve Kornic (2011). Mene joukkovelkakirjoista bändeihin kemian näkökulmasta. Haettu 28.4.2018 osoitteesta: chembio.uoguelph.ca
  5. Wikipedia. (2018). Ulkoinen puolijohde. Haettu 28. huhtikuuta 2018 osoitteesta: en.wikipedia.org
  6. Byju'S. (2018). Metallien teoria. Haettu 28. huhtikuuta 2018 alkaen: byjus.com