Модель и примеры теории полос



теория зон это тот, который определяет электронную структуру твердого тела в целом. Он может быть применен к любому типу твердого тела, но именно в металлах отражаются его самые большие успехи. Согласно этой теории, металлическая связь возникает в результате электростатического притяжения между положительно заряженными ионами и подвижными электронами в кристалле..

Следовательно, металлический кристалл имеет «море электронов», что может объяснить его физические свойства. Нижнее изображение иллюстрирует металлическую связь. Фиолетовые точки электронов делокализованы в море, которое окружает положительно заряженные атомы металла.

«Море электронов» формируется из индивидуальных вкладов каждого атома металла. Эти вклады являются его атомными орбиталями. Металлические конструкции, как правило, компактны; чем они компактнее, тем больше взаимодействия между их атомами.

В результате их атомные орбитали перекрываются, создавая очень узкие молекулярные орбитали по энергии. Море электронов - это только большой набор молекулярных орбиталей с различными диапазонами энергий. Диапазон этих энергий составляет так называемые энергетические зоны.

Эти полосы присутствуют в любой области кристалла, поэтому он рассматривается как единое целое, и отсюда вытекает определение этой теории..

индекс

  • 1 Модель энергетических зон
    • 1.1 Уровень Ферми
  • 2 Полупроводники
    • 2.1 Собственные и внутренние полупроводники
  • 3 Примеры прикладной теории зон
  • 4 Ссылки

Модель энергетических полос

Когда орбиталь атома металла взаимодействует с таковой его соседа (N = 2), образуются две молекулярные орбитали: одна из связей (зеленая полоса) и одна из антисвязанных (темно-красная полоса).

Если N = 3, в настоящее время образуются три молекулярные орбитали, средняя из которых (черная полоса) не является обязательной. Если N = 4, образуются четыре орбитали, и та, которая имеет наибольший обязательный характер, и та, которая имеет наивысший антифриз.

Диапазон энергии, доступной для молекулярных орбиталей, расширяется по мере того, как атомы металла кристалла обеспечивают их орбитали. Это также приводит к уменьшению энергетического пространства между орбиталями до такой степени, что они конденсируются в полосе.

Эта полоса, состоящая из орбиталей, имеет области с низкой энергией (области зеленого и желтого цветов) и высокой энергии (области оранжевого и красного цветов). Их энергичные крайности имеют низкую плотность; однако, большинство молекулярных орбиталей (белая полоса) сосредоточены в центре.

Это означает, что электроны "бегут" быстрее через центр полосы, чем на их концах.

Уровень Ферми

Это высшее энергетическое состояние, занимаемое электронами в твердом теле при абсолютной нулевой температуре (T = 0 K).

Как только полоса построена, электроны начинают занимать все свои молекулярные орбитали. Если металл имеет один валентный электрон (ы)1), все электроны в его кристалле будут занимать половину полосы.

Другая незанятая половина называется движущей зоной, а полоса, полная электронов, называется валентной зоной..

На верхнем изображении A представлена ​​типичная валентная зона (синяя) и зона проводимости (белая) для металла. Голубоватая граница указывает на уровень Ферми.

Поскольку металлы также имеют p-орбитали, они объединяются таким же образом, чтобы создать p-полосу (белый).

В случае металлов полосы s и p очень близки по энергии. Это позволяет им перекрываться, продвигая электроны из валентной зоны в зону проводимости. Это происходит даже при температуре чуть выше 0 К.

Для переходных металлов и с периода 4 и ниже также возможно формирование полос.

Уровень Ферми относительно зоны проводимости очень важен для определения электрических свойств.

Например, металл Z с уровнем Ферми, очень близким к зоне проводимости (ближайшая пустая зона по энергии), имеет более высокую электропроводность, чем металл X, в котором его уровень Ферми находится далеко от этой зоны..

Полупроводники

Тогда электропроводность состоит из миграции электронов из валентной зоны в зону проводимости..

Если энергетическая щель между обеими полосами очень велика, мы имеем изолирующее тело (как в случае B). С другой стороны, если эта щель относительно мала, твердое тело является полупроводником (в случае C).

Столкнувшись с повышением температуры, электроны в валентной зоне приобретают достаточно энергии для миграции в зону проводимости. Это приводит к электрическому току.

Фактически это качество твердых или полупроводниковых материалов: при комнатной температуре они являются изоляторами, а при высоких температурах - проводниками..

Собственные и внешние полупроводники

Собственные проводники - это проводники, в которых энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости достаточно мала, так что тепловая энергия позволяет прохождение электронов..

С другой стороны, внешние проводники демонстрируют изменения в своих электронных структурах после легирования примесями, которые увеличивают их электропроводность. Эта примесь может быть другим металлом или неметаллическим элементом.

Если примесь имеет больше валентных электронов, она может обеспечить донорную зону, которая служит мостиком для электронов валентной зоны, которые переходят в зону проводимости. Эти твердые вещества являются полупроводниками n-типа. Здесь русское обозначение происходит от «отрицательного».

На верхнем изображении полоса донора показана синим блоком чуть ниже полосы возбуждения (тип n).

С другой стороны, если примесь имеет меньше валентных электронов, она обеспечивает акцепторную зону, которая сокращает энергетическую щель между валентной зоной и зоной возбуждения..

Электроны сначала мигрируют к этой полосе, оставляя позади «положительные дыры», которые движутся в противоположном направлении..

Поскольку эти положительные промежутки отмечают прохождение электронов, твердое вещество или материал является полупроводником p-типа..

Примеры прикладной теории зон

- Объясните, почему металлы яркие: их подвижные электроны могут поглощать излучение в широком диапазоне длин волн, когда они прыгают на более высокие энергетические уровни. Затем они излучают свет, возвращаясь к нижним уровням полосы движения.

- Кристаллический кремний является наиболее важным полупроводниковым материалом. Если часть кремния легирована следами элемента группы 13 (B, Al, Ga, In, Tl), он становится полупроводником p-типа. Принимая во внимание, что если он легирован элементом группы 15 (N, P, As, Sb, Bi), он становится полупроводником n-типа..

- Светодиод (LED) представляет собой совместное полупроводниковое соединение p-n. Что ты имеешь ввиду? Этот материал имеет оба типа полупроводников, как n, так и p. Электроны мигрируют из зоны проводимости полупроводника n-типа в валентную зону полупроводника p-типа.

ссылки

  1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 486-490.
  2. Дрожь и Аткинс. (2008). Неорганическая химия (Четвертое издание. С. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
  3. Корабль С.Р. (2016). Полосная теория твердого тела. Получено 28 апреля 2018 г. из: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  4. Стив Корник (2011). Переход от облигаций к группам с точки зрения химика. Получено 28 апреля 2018 г. из: chembio.uoguelph.ca
  5. Wikipedia. (2018). Внешний полупроводник. Получено 28 апреля 2018 г. с сайта en.wikipedia.org
  6. Byju'S. (2018). Зонная теория металлов. Получено 28 апреля 2018 г. по адресу: byjus.com