Det bandteori Det er den, der definerer den elektroniske struktur af det faste stof som helhed. Det kan anvendes på enhver form for fast stof, men det er i metaller, hvor dets største succes afspejles. Ifølge denne teori skyldes den metalliske binding den elektrostatiske tiltrækning mellem de positivt ladede ioner og de mobile elektroner i krystallen..
Derfor har den metalliske krystal et "hav af elektroner", som kan forklare dets fysiske egenskaber. Billedet nedenfor illustrerer det metalliske link. Elektronernes lilla prikker delokaliseres i et hav, der omgiver de positivt ladede metalatomer.
"Elektronhavet" er dannet ud fra de enkelte bidrag fra hvert metalatom. Disse input er dine atomorbitaler. Metalstrukturer er generelt kompakte; jo mere kompakte de er, jo større er interaktionen mellem deres atomer.
Derfor overlapper deres atomorbitaler sig og genererer meget smalle molekylære orbitaler i energi. Elektronhavet er så intet andet end et stort sæt molekylære orbitaler med forskellige energiområder. Omfanget af disse energier udgør det, der er kendt som energibånd.
Disse bånd er til stede i alle regioner i krystallen, hvorfor det betragtes som en helhed, og derfra kommer definitionen af denne teori.
Artikelindeks
Når et metalatoms s orbital interagerer med dets nabo (N = 2), dannes to molekylære orbitaler: en af binding (grøn bånd) og en anden af anti-binding (mørkerødt bånd).
Hvis N = 3, dannes der nu tre molekylære orbitaler, hvoraf den midterste (sort bånd) ikke er bindende. Hvis N = 4, dannes fire orbitaler, og den ene med den største bindingskarakter og den med den største anti-bindingskarakter adskilles yderligere..
Det tilgængelige energiområde for molekylære orbitaler udvides, når metalatomer i krystallen bidrager med deres orbitaler. Dette resulterer også i et fald i det energiske rum mellem orbitalerne, til det punkt, at de kondenseres til et bånd.
Dette bånd sammensat af s orbitaler har regioner med lav energi (de farvede grønne og gule) og høje energi (de farvede orange og røde). Dens energiske ekstremer har lav densitet; dog er de fleste af de molekylære orbitaler koncentreret i midten (hvidt bånd).
Det betyder, at elektronerne “løber hurtigere” gennem midten af båndet end gennem dets ender..
Det er den højeste energetiske tilstand optaget af elektroner i et fast stof ved temperaturen absolut nul (T = 0 K).
Når s-båndet er bygget, begynder elektronerne at besætte alle dets molekylære orbitaler. Hvis metallet har en enkelt valenselektron (er)1), vil alle elektroner i dets krystal besætte halvdelen af båndet.
Den anden ledige halvdel er kendt som ledningsbåndet, mens det elektronfyldte bånd kaldes valensbåndet..
I det øverste billede repræsenterer A et typisk valens (blå) og ledningsbånd (hvidt) for et metal. Den blålige kantlinje angiver Fermi-niveauet.
Da metaller også har p-orbitaler, kombineres de på samme måde for at danne et p-bånd (hvidt).
I tilfælde af metaller er s- og p-båndene meget tæt på energi. Dette muliggør deres overlapninger, hvilket fremmer elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet. Dette sker selv ved temperaturer lige over 0 K.
For overgangsmetaller og periode 4 nedad er d-bånddannelse også mulig.
Fermi-niveauet med hensyn til ledningsbåndet er af største betydning for bestemmelsen af de elektriske egenskaber.
For eksempel har et metal Z med et Fermi-niveau meget tæt på ledningsbåndet (det nærmeste tomme bånd i energi) større elektrisk ledningsevne end et metal X, hvor dets Fermi-niveau er langt fra båndet..
Elektrisk ledningsevne består derefter af migrering af elektroner fra et valensbånd til et ledningsbånd.
Hvis energigabet mellem de to bånd er meget stort, har du et isolerende fast stof (som med B). På den anden side, hvis dette hul er relativt lille, er det faste stof en halvleder (i tilfælde af C).
Stillet over for en stigning i temperaturen erhverver elektronerne i valensbåndet nok energi til at migrere mod ledningsbåndet. Dette resulterer i en elektrisk strøm.
Faktisk er dette en kvalitet af faste stoffer eller halvledermaterialer: ved stuetemperatur er de isolerende, men ved høje temperaturer er de ledende..
Intrinsiske ledere er dem, hvor energigabet mellem valensbåndet og ledningsbåndet er lille nok til, at den termiske energi tillader passage af elektroner..
På den anden side udviser ydre ledere ændringer i deres elektroniske strukturer efter doping med urenheder, hvilket øger deres elektriske ledningsevne. Denne urenhed kan være et andet metal eller et ikke-metallisk element.
Hvis urenheden har flere valenselektroner, kan den give et donorbånd, der fungerer som en bro for elektronerne i valensbåndet til at krydse ind i ledningsbåndet. Disse faste stoffer er halvledere af n-typen. Her kommer betegnelsen n fra "negativ".
På det øverste billede er donorbåndet illustreret i den blå blok lige under ledningsbåndet (Type n).
På den anden side, hvis urenheden har færre valenselektroner, tilvejebringer den et acceptorbånd, der forkorter energigabet mellem valensbåndet og ledningsbåndet..
Elektronerne vandrer først mod dette bånd og efterlader "positive huller", som bevæger sig i den modsatte retning..
Da disse positive huller markerer elektroners passage, er det faste stof eller materialet en halvleder af p-typen.
- Forklar, hvorfor metaller er lyse: Deres elektroner i bevægelse kan absorbere stråling over en bred vifte af bølgelængder, når de hopper til højere energiniveauer. De udsender derefter lys og vender tilbage til lavere niveauer af ledningsbåndet.
- Krystallinsk silicium er det vigtigste halvledermateriale. Hvis en del af silicium er doteret med spor af et gruppe 13-element (B, Al, Ga, In, Tl), bliver det en p-type halvleder. Mens det er doteret med et element i gruppe 15 (N, P, As, Sb, Bi) bliver det en n-type halvleder.
- Lysemitterende diode (LED) er en halvledende p-n-krydsning. Hvad betyder det? At materialet har begge typer halvledere, både n og p. Elektroner migrerer fra ledningsbåndet af n-typen halvleder til valensbåndet af p-typen halvleder.
Endnu ingen kommentarer