ТЕОРІЯ СМУГ: МОДЕЛЬ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Теорія смуг - така, яка визначає електронну структуру твердого тіла в цілому. Він може бути застосований до будь-якого типу твердої речовини, але саме в металах відображаються його найбільші успіхи. Відповідно до цієї теорії, металевий зв’язок є результатом електростатичного притягання між позитивно зарядженими іонами та рухливими електронами в кристалі.

Тому металевий кристал має «море електронів», що може пояснити його фізичні властивості. Зображення нижче ілюструє металеву ланку. Фіолетові крапки електронів переміщуються в море, яке оточує позитивно заряджені атоми металу.

"Море електронів" формується з індивідуальних внесків кожного атома металу. Ці входи - це ваші атомні орбіталі. Металеві конструкції, як правило, компактні; чим вони більш компактні, тим більші взаємодії між їх атомами.

Отже, їх атомні орбіталі перекриваються, щоб генерувати дуже вузькі молекулярні орбіталі в енергії. Море електронів - це не що інше, як великий набір молекулярних орбіталей з різним діапазоном енергій. Діапазон цих енергій складається з енергетичних діапазонів.

Ці смуги присутні в будь-яких областях кристала, саме тому його розглядають як ціле, і звідси походить визначення цієї теорії.

Модель енергетичної смуги

Коли s орбіталя металевого атома взаємодіє з тією сусідки (N = 2), утворюються дві молекулярні орбіталі: одна з зв'язків (зелена смуга) та інша з антизв'язку (темно-червона смуга).

Якщо N = 3, то тепер утворюються три молекулярні орбіталі, середня середня (чорна смуга) не пов'язана. Якщо N = 4, утворюються чотири орбіталі, а одна з найбільшим зв'язуючим характером та одна з найбільшим антизв'язним характером далі відокремлюються.

Діапазон енергії, доступний молекулярним орбіталям, розширюється, оскільки атоми металу в кристалі вносять свої орбіталі. Це також призводить до зменшення енергетичного простору між орбіталями до того, що вони конденсуються в смугу.

Ця смуга, що складається з s орбіталей, має області низької енергії (кольорові зелені та жовті) та високої енергії (кольорові оранжеві та червоні). Його енергетичні крайності мають низьку щільність; проте в центрі зосереджена більшість молекулярних орбіталей (біла смуга).

Це означає, що електрони «пробігають швидше» через центр смуги, ніж через її кінці.

Рівень Фермі

Тоді електропровідність складається з міграції електронів з валентної зони в зону провідності.

Якщо енергетичний зазор між обома діапазонами дуже великий, у вас є ізолююча тверда речовина (як у B). З іншого боку, якщо цей зазор відносно невеликий, тверда речовина є напівпровідником (у випадку С).

Коли температура зростає, електрони у валентній смузі набувають достатньої кількості енергії для міграції до зони провідності. Це призводить до електричного струму.

Насправді це якість твердих тіл або напівпровідникових матеріалів: при кімнатній температурі вони є ізолюючими, а при високій температурі - провідними.

Внутрішні та зовнішні напівпровідники

Внутрішні провідники - це ті, у яких енергетичний зазор між валентною смугою та зоною провідності є досить малим, щоб теплова енергія дозволяла пропускати електрони.

З іншого боку, зовнішні провідники виявляють зміни в своїх електронних структурах після допінгу з домішками, що підвищує їх електропровідність. Ця домішка може бути іншим металевим або неметалічним елементом.

Якщо домішка має більше валентних електронів, вона може забезпечити донорну смугу, яка служить мостом для переходу електронів у валентну зону в зону провідності. Ці тверді речовини є напівпровідниками n-типу. Тут назва n походить від "негативу".

На верхньому зображенні донорська смуга зображена синім блоком трохи нижче смуги провідності (Тип n).

З іншого боку, якщо домішка має менше валентних електронів, вона забезпечує акцепторну смугу, яка скорочує енергетичний зазор між валентною зоною та зоною провідності.

Електрони спочатку мігрують до цієї смуги, залишаючи позаду «позитивні дірки», які рухаються у зворотному напрямку.

Оскільки ці позитивні дірки відзначають проходження електронів, тверде тіло або матеріал є напівпровідником типу p.

Приклади прикладної теорії смуг

- Поясніть, чому метали блискучі: їх рухомі електрони можуть поглинати випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль, коли вони перестрибують на більш високий рівень енергії. Потім вони випромінюють світло, повертаючись до нижчих рівнів зони провідності.

- Кристалічний кремній є найважливішим напівпровідниковим матеріалом. Якщо частина кремнію легується слідами елемента групи 13 (B, Al, Ga, In, Tl), він стає напівпровідником типу p. Якщо якщо він легований елементом групи 15 (N, P, As, Sb, Bi), він стає напівпровідником n типу.

- Світлодіод (світлодіод) є напівпровідником на платі pn. Що це означає? Що матеріал має обидва типи напівпровідників, як n, так і p. Електрони мігрують із зони провідності напівпровідника n-типу до валентної зони напівпровідника р-типу.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Learning, p 486-490.
2. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання., Стор. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
3. Nave CR (2016). Теорія смуг. Отримано 28 квітня 2018 року з: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Стів Корніч. (2011 р.). Перехід від облігацій до смуг з точки зору аптеки. Отримано 28 квітня 2018 року з: chembio.uoguelph.ca
5. Вікіпедія. (2018). Зовнішній напівпровідник. Отримано 28 квітня 2018 року з: en.wikipedia.org
6. BYJU'S. (2018). Теорія смуг металів. Отримано 28 квітня 2018 року з: byjus.com