Teoria modelelor de benzi și exemple

teoria benzilor este una care definește structura electronică a solidului ca întreg. Se poate aplica oricarui tip de solid, dar este in metalele unde se reflecta cele mai mari succese ale acestuia. Conform acestei teorii, legătura metalică rezultă din atracția electrostatică dintre ionii încărcați pozitiv și electronii mobili din cristal.

Prin urmare, cristalul metalic are o "mare de electroni", care poate explica proprietățile sale fizice. Imaginea inferioară ilustrează legătura metalică. Punctele violet ale electronilor sunt delocalizate într-o mare care înconjoară atomii de metal încărcați pozitiv.

"Marea de electroni" se formează din contribuțiile individuale ale fiecărui atom de metal. Aceste contribuții sunt orbitalii atomici. Structurile metalice sunt în general compacte; cu cât sunt mai compacte, cu atât sunt mai mari interacțiunile dintre atomii lor.

În consecință, orbitele lor atomice se suprapun pentru a genera orbitale moleculare foarte înguste în energie. Marea de electroni este doar un set mare de orbite moleculare cu diferite valori de energie. Gama acestor energii formează ceea ce se numește benzile de energie.

Aceste benzi sunt prezente în orice regiune a cristalului, motiv pentru care este considerat un întreg și, prin urmare, definiția acestei teorii.

index

• 1 Model de benzi energetice
  • 1.1 nivelul Fermi
• 2 Semiconductori
  • 2.1 Semiconductori intrinseci și extrinseci
• 3 Exemple de teorie a benzii aplicate
• 4 Referințe

Modelul benzilor energetice

un link (banda verde) și un alt antibonding (bandă roșu închis): Când s orbitală a unui atom de metal interacționează cu vecinul său (N = 2), se formează două orbitali moleculare.

Dacă N = 3, acum sunt formate trei orbite moleculare, dintre care una de mijloc (banda neagră) nu este obligatorie. Dacă N = 4, patru orbitali sunt formate și separați mai mult caracterul obligatoriu superior și caracterul antienlanzante superior.

Gama de energie disponibilă pentru orbitele moleculare se extinde pe măsură ce atomii metalici ai cristalului furnizează orbitalii lor. Acest lucru are ca rezultat și o scădere a spațiului energetic între orbitali, până la punctul în care se condensează într-o bandă.

Această bandă este format din s orbitale are regiuni de energie joasă (verde și galben) și energie ridicată (portocaliu și roșu). Părțile lor energetice au o densitate scăzută; cu toate acestea, majoritatea orbitalelor moleculare (banda albă) sunt concentrate în centru.

Aceasta înseamnă că electronii "alergă mai repede" prin centrul banda decât la capete.

Nivel Fermi

Este cea mai mare stare de energie ocupată de electroni într-un solid la temperatura zero absolută (T = 0 K).

Odată ce banda s-a construit, electronii încep să ocupe toate orbitele lor moleculare. Dacă metalul are un singur electron (i) de valență¹), toți electronii din cristalul său vor ocupa jumătate din banda.

Cealaltă jumătate neocupată este cunoscută ca banda de conducere, în timp ce trupa plină de electroni se numește banda de valență.

În imaginea superioară A reprezintă o bandă tipică de valență (albastru) și o bandă de conducere (alb) pentru un metal. Linia albastră de graniță indică nivelul Fermi.

Deoarece metalele au, de asemenea, p-orbite, ele combină în același mod pentru a genera o bandă p (albă).

În cazul metalelor, benzile s și p sunt foarte aproape de energie. Acest lucru permite suprapunerile lor, promovând electronii de la banda de valență la banda de conducere. Cele de mai sus se întâmplă chiar și la temperaturi puțin peste 0 K.

Pentru metalele de tranziție și din perioada 4 în jos, este posibilă și formarea benzilor d.

Nivelul Fermi în ceea ce privește banda de conducție este foarte important pentru a determina proprietățile electrice.

De exemplu, un Z metalic un nivel Fermi apropiat de banda de conducție (cea mai apropiată banda interzisă) are o conductivitate electrică mai mare decât un X metalic în care nivelul Fermi este departe de banda menționată.

Semiconductori

Conductivitatea electrică constă apoi în migrarea electronilor dintr-o bandă de valență într-o bandă de conducere.

Dacă diferența energetică dintre ambele benzi este foarte mare, aveți un solid izolant (ca și cu B). Pe de altă parte, dacă acest decalaj este relativ mic, solidul este un semiconductor (în cazul lui C).

Confruntate cu o creștere a temperaturii, electronii din banda de valență dobândesc suficientă energie pentru a migra spre banda de conducere. Aceasta are ca rezultat un curent electric.

De fapt, aceasta este o calitate a materialelor solide sau semiconductoare: la temperatura camerei, sunt izolatoare, dar la temperaturi ridicate sunt conductoare.

Semiconductori intrinseci și extrinseci

drivere intrinsece sunt cele în care diferența de energie dintre banda de valență și banda de conducție este suficient de mic, astfel încât energia termică permite trecerea de electroni.

Pe de altă parte, conductorii extrinseci prezintă schimbări în structurile lor electronice după dopaj cu impurități, care măresc conductivitatea lor electrică. Această impuritate poate fi un alt element metalic sau nemetalic.

Dacă impuritatea are mai mulți electroni de valență, ea poate furniza o bandă donatoare care servește ca o punte pentru electronii banda de valență să treacă în banda de conducere. Aceste solide sunt semiconductori de tip n. Aici denominația n vine de la "negativ".

În imaginea superioară banda donatorului este ilustrată în blocul albastru, chiar sub banda de conducere (Tip n).

Pe de altă parte, dacă impuritatea are electroni cu valență mai mică, aceasta oferă o bandă acceptoare, care scurtează decalajul energetic dintre banda de valență și banda de conducție.

Electronii migrează mai întâi spre această bandă, lăsând în urmă "găuri pozitive", care se mișcă în direcția opusă.

Deoarece aceste goluri pozitive marchează trecerea electronilor, solidul sau materialul este un semiconductor de tip p.

Exemple de teorie a benzii aplicate

- Explicați de ce metalele sunt luminoase: electronii lor mobili pot absorbi radiații într-o gamă largă de lungimi de undă atunci când sare la niveluri mai mari de energie. Apoi emite lumină, revenind la nivelurile inferioare ale benzii de conducere.

- Siliconul cristalin este cel mai important material semiconductor. Dacă o porțiune de siliciu este dopată cu urme de element de grup 13 (B, Al, Ga, In, Tl), devine un semiconductor de tip p. Dacă este dopat cu un element din grupa 15 (N, P, As, Sb, Bi), el devine un semiconductor de tip n.

- Diodele emise de lumină (LED) sunt semiconductori ai p-nului comun. Ce vrei să spui? Că materialul are ambele tipuri de semiconductori, atât n, cât și p. Electronii migrează din banda de conducție a semiconductorului de tip n la banda de valență a semiconductorului de tip p.

referințe

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chimie. (Ediția a 8-a). CENGAGE Learning, p. 486-490.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică (Ediția a patra, pag. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
3. Nava C. R. (2016). Teoria benzilor solide. Adus pe 28 aprilie 2018, de la: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Steve Kornic. (2011). Trecând de la Obligațiuni la Trupe din punctul de vedere al Chimistului. Adus pe 28 aprilie 2018, de la: chembio.uoguelph.ca
5. Wikipedia. (2018). Semiconductor extern. Adus la 28 aprilie 2018, de la: en.wikipedia.org
6. Byju'S. (2018). Teoria benzilor de metale. Adus pe 28 aprilie 2018, de la: byjus.com