- Mô hình dải năng lượng
- Cấp độ Fermi
- Chất bán dẫn bên trong và bên ngoài
- Ví dụ về lý thuyết dải ứng dụng
- Người giới thiệu
Lý thuyết dải là lý thuyết xác định cấu trúc điện tử của vật rắn nói chung. Nó có thể được áp dụng cho bất kỳ loại chất rắn nào, nhưng nó là trong kim loại, nơi những thành công lớn nhất của nó được phản ánh. Theo lý thuyết này, liên kết kim loại là kết quả của lực hút tĩnh điện giữa các ion tích điện dương và các electron di động trong tinh thể.
Do đó, tinh thể kim loại có một "biển electron", có thể giải thích các tính chất vật lý của nó. Hình ảnh dưới đây minh họa liên kết kim loại. Các chấm màu tím của các electron được phân chia trong một vùng biển bao quanh các nguyên tử kim loại mang điện tích dương.
“Biển electron” được hình thành từ sự đóng góp riêng của từng nguyên tử kim loại. Những đầu vào này là obitan nguyên tử của bạn. Cấu trúc kim loại nói chung là nhỏ gọn; chúng càng đặc thì tương tác giữa các nguyên tử của chúng càng lớn.
Do đó, các obitan nguyên tử của chúng chồng lên nhau để tạo ra các obitan phân tử rất hẹp về năng lượng. Biển electron sau đó không gì khác hơn là một tập hợp lớn các obitan phân tử với các dải năng lượng khác nhau. Phạm vi của những năng lượng này tạo nên cái được gọi là dải năng lượng.
Các dải này hiện diện ở bất kỳ vùng nào của tinh thể, đó là lý do tại sao nó được coi là một tổng thể, và từ đó đưa ra định nghĩa của lý thuyết này.
Mô hình dải năng lượng
Khi obitan s của nguyên tử kim loại tương tác với obitan của nguyên tử kim loại bên cạnh (N = 2), hai obitan phân tử được hình thành: một obitan liên kết (dải xanh lục) và một obitan phản liên kết (dải đỏ sẫm).
Nếu N = 3, ba obitan phân tử bây giờ được hình thành, trong đó obitan ở giữa (dải đen) không liên kết. Nếu N = 4, bốn obitan được tạo thành và obitan có đặc tính liên kết lớn nhất và obitan có đặc tính chống liên kết lớn nhất sẽ được tách ra thêm.
Phạm vi năng lượng dành cho các obitan phân tử mở rộng khi các nguyên tử kim loại trong tinh thể đóng góp vào các obitan của chúng. Điều này cũng dẫn đến việc giảm không gian năng lượng giữa các obitan, đến mức chúng ngưng tụ thành một dải.
Dải này bao gồm các obitan s có các vùng năng lượng thấp (những vùng có màu xanh lá cây và vàng) và năng lượng cao (những vùng có màu cam và đỏ). Các thái cực năng lượng của nó có mật độ thấp; tuy nhiên, ở trung tâm hầu hết các obitan phân tử đều tập trung (dải màu trắng).
Điều này có nghĩa là các electron “chạy nhanh hơn” qua trung tâm của dải hơn là qua các đầu của nó.
Cấp độ Fermi
Khi đó, dẫn điện bao gồm sự di chuyển của các điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn.
Nếu khoảng cách năng lượng giữa cả hai dải là rất lớn, bạn có một vật rắn cách điện (như với B). Mặt khác, nếu khe hở này tương đối nhỏ, chất rắn là chất bán dẫn (trong trường hợp của C).
Khi nhiệt độ tăng, các điện tử trong vùng hóa trị nhận đủ năng lượng để di chuyển về phía vùng dẫn. Điều này dẫn đến một dòng điện.
Trên thực tế, đây là chất lượng của chất rắn hoặc vật liệu bán dẫn: ở nhiệt độ phòng chúng cách điện, nhưng ở nhiệt độ cao chúng dẫn điện.
Chất bán dẫn bên trong và bên ngoài
Vật dẫn bên trong là vật dẫn trong đó khoảng cách năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đủ nhỏ để nhiệt năng cho phép các điện tử đi qua.
Mặt khác, chất dẫn điện bên ngoài thể hiện những thay đổi trong cấu trúc điện tử của chúng sau khi pha tạp chất, làm tăng độ dẫn điện của chúng. Tạp chất này có thể là một kim loại khác hoặc một nguyên tố phi kim loại.
Nếu tạp chất có nhiều điện tử hóa trị hơn, nó có thể cung cấp vùng cho làm cầu nối cho các điện tử từ vùng hóa trị băng qua vùng dẫn. Các chất rắn này là chất bán dẫn loại n. Ở đây tên n bắt nguồn từ "âm".
Trong hình trên, dải cho được minh họa trong khối màu xanh lam ngay bên dưới dải dẫn (Loại n).
Mặt khác, nếu tạp chất có ít điện tử hóa trị hơn, nó tạo ra một vùng nhận, làm rút ngắn khoảng cách năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn.
Các electron đầu tiên di chuyển về phía dải này, để lại các “lỗ trống tích cực”, chúng đang di chuyển theo hướng ngược lại.
Vì các lỗ trống dương này đánh dấu sự chuyển động của các electron nên chất rắn hoặc vật liệu là chất bán dẫn loại p.
Ví dụ về lý thuyết dải ứng dụng
- Giải thích tại sao kim loại sáng bóng: các êlectron chuyển động của chúng có thể hấp thụ bức xạ có bước sóng rộng khi chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Sau đó, chúng phát ra ánh sáng, quay trở lại mức thấp hơn của vùng dẫn.
- Silic kết tinh là vật liệu bán dẫn quan trọng nhất. Nếu một phần của silicon được pha tạp với các vết của nguyên tố nhóm 13 (B, Al, Ga, In, Tl), nó sẽ trở thành chất bán dẫn loại p. Trong khi nếu nó được pha tạp với một nguyên tố thuộc nhóm 15 (N, P, As, Sb, Bi) thì nó sẽ trở thành chất bán dẫn loại n.
- Điốt phát quang (LED) là chất bán dẫn bảng pn. Nó có nghĩa là gì? Rằng vật liệu có cả hai loại bán dẫn, cả n và p. Các êlectron di chuyển từ vùng dẫn của chất bán dẫn loại n sang vùng hóa trị của chất bán dẫn loại p.
Người giới thiệu
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Learning, tr 486-490.
- Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư., Tr. 103-107, 633-635). Đồi Mc Graw.
- Nave CR (2016). Lý thuyết dải của chất rắn. Được truy cập vào ngày 28 tháng 4 năm 2018, từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Steve Kornic. (2011). Đi từ Trái phiếu sang Dây đeo từ Quan điểm của Nhà hóa học. Được lấy vào ngày 28 tháng 4 năm 2018, từ: chembio.uoguelph.ca
- Wikipedia. (2018). Chất bán dẫn bên ngoài. Truy cập ngày 28 tháng 4 năm 2018, từ: en.wikipedia.org
- CỦA BYJU. (2018). Lý thuyết dải của kim loại. Được lấy vào ngày 28 tháng 4 năm 2018, từ: byjus.com