De band theorie Het is degene die de elektronische structuur van de vaste stof als geheel definieert. Het kan worden toegepast op elk type vaste stof, maar het is in metalen waar de grootste successen worden weerspiegeld. Volgens deze theorie is de metaalbinding het gevolg van de elektrostatische aantrekkingskracht tussen de positief geladen ionen en de mobiele elektronen in het kristal..
Daarom heeft het metallische kristal een "zee van elektronen", wat de fysische eigenschappen ervan kan verklaren. De onderstaande afbeelding illustreert de metalen schakel. De paarse stippen van de elektronen zijn gedelokaliseerd in een zee die de positief geladen metaalatomen omgeeft.
De "zee van elektronen" wordt gevormd door de individuele bijdragen van elk metaalatoom. Deze ingangen zijn uw atomaire orbitalen. Metalen constructies zijn over het algemeen compact; hoe compacter ze zijn, hoe groter de interacties tussen hun atomen.
Bijgevolg overlappen hun atomaire orbitalen elkaar om zeer smalle moleculaire orbitalen in energie te genereren. De zee van elektronen is dan niets meer dan een groot aantal moleculaire orbitalen met verschillende energiebereiken. Het bereik van deze energieën vormt wat bekend staat als energiebanden.
Deze banden zijn aanwezig in alle regio's van het kristal, daarom wordt het als een geheel beschouwd, en van daaruit komt de definitie van deze theorie.
Artikel index
Wanneer de s-orbitaal van een metaalatoom interageert met die van zijn buur (N = 2), worden twee moleculaire orbitalen gevormd: een van binding (groene band) en een van anti-binding (donkerrode band).
Als N = 3, worden nu drie moleculaire orbitalen gevormd, waarvan de middelste (zwarte band) niet-bindend is. Als N = 4, worden vier orbitalen gevormd en worden degene met het grootste bindingskarakter en degene met het grootste anti-bindingskarakter verder gescheiden..
Het bereik van energie dat beschikbaar is voor moleculaire orbitalen wordt groter naarmate de metaalatomen in het kristal hun orbitalen bijdragen. Dit resulteert ook in een afname van de energetische ruimte tussen de orbitalen, tot het punt dat ze condenseren tot een band.
Deze band bestaat uit s orbitalen en heeft gebieden met lage energie (die groen en geel gekleurd) en hoge energie (die oranje en rood gekleurd). Zijn energetische extremen hebben een lage dichtheid; de meeste moleculaire orbitalen zijn echter geconcentreerd in het midden (witte band).
Dit betekent dat de elektronen "sneller" door het midden van de band lopen dan door de uiteinden..
Het is de hoogste energetische toestand die wordt ingenomen door elektronen in een vaste stof bij de temperatuur van het absolute nulpunt (T = 0 K).
Zodra de s-band is gebouwd, beginnen de elektronen al zijn moleculaire orbitalen te bezetten. Als het metaal één valentie-elektron (en1), nemen alle elektronen in het kristal de helft van de band in beslag.
De andere onbezette helft staat bekend als de geleidingsband, terwijl de met elektronen gevulde band de valentieband wordt genoemd..
In de bovenste afbeelding vertegenwoordigt A een typische valentie- (blauw) en geleidingsband (wit) voor een metaal. De blauwachtige grenslijn geeft het Fermi-niveau aan.
Omdat metalen ook p-orbitalen hebben, combineren ze op dezelfde manier om een p-band (wit) te vormen.
In het geval van metalen liggen de s- en p-banden qua energie zeer dicht bij elkaar. Dit maakt hun overlappingen mogelijk, waardoor elektronen van de valentieband naar de geleidingsband worden bevorderd. Dit gebeurt zelfs bij temperaturen net boven 0 K.
Voor overgangsmetalen en periode 4 naar beneden is ook d-bandvorming mogelijk.
Het Fermi-niveau ten opzichte van de geleidingsband is van het grootste belang bij het bepalen van de elektrische eigenschappen.
Bijvoorbeeld, een metalen Z met een Fermi-niveau zeer dicht bij de geleidingsband (de dichtstbijzijnde lege band in energie), heeft een grotere elektrische geleidbaarheid dan een metalen X waarvan het Fermi-niveau ver van de genoemde band ligt..
Elektrische geleidbaarheid bestaat dan uit de migratie van elektronen van een valentieband naar een geleidingsband.
Als de energiekloof tussen de twee banden erg groot is, heb je een isolerende vaste stof (zoals bij B). Aan de andere kant, als deze opening relatief klein is, is de vaste stof een halfgeleider (in het geval van C).
Geconfronteerd met een temperatuurstijging krijgen de elektronen in de valentieband voldoende energie om naar de geleidingsband te migreren. Dit resulteert in een elektrische stroom.
In feite is dit een kwaliteit van vaste stoffen of halfgeleidermaterialen: bij kamertemperatuur zijn ze isolerend, maar bij hoge temperaturen zijn ze geleidend..
Intrinsieke geleiders zijn die waarbij de energiekloof tussen de valentieband en de geleidingsband klein genoeg is om de thermische energie de doorgang van elektronen mogelijk te maken..
Anderzijds vertonen extrinsieke geleiders veranderingen in hun elektronische structuren na dotering met onzuiverheden, waardoor hun elektrische geleidbaarheid toeneemt. Deze onzuiverheid kan een ander metaal of een niet-metallisch element zijn.
Als de onzuiverheid meer valentie-elektronen heeft, kan het een donorband vormen die dient als een brug voor de elektronen in de valentieband om de geleidingsband binnen te gaan. Deze vaste stoffen zijn halfgeleiders van het n-type. Hier komt de denominatie n van "negatief".
In de bovenste afbeelding is de donorband geïllustreerd in het blauwe blok net onder de geleidingsband (type n).
Aan de andere kant, als de onzuiverheid minder valentie-elektronen heeft, levert het een acceptorband op, die de energiekloof tussen de valentieband en de geleidingsband verkort..
De elektronen migreren eerst naar deze band en laten ‘positieve gaten’ achter die in tegengestelde richting bewegen..
Omdat deze positieve gaten de doorgang van elektronen markeren, is de vaste stof of het materiaal een p-type halfgeleider.
- Leg uit waarom metalen helder zijn: hun bewegende elektronen kunnen straling absorberen over een breed golflengtebereik wanneer ze naar hogere energieniveaus springen. Ze zenden dan licht uit en keren terug naar lagere niveaus van de geleidingsband.
- Kristallijn silicium is het belangrijkste halfgeleidermateriaal. Als een deel van silicium is gedoteerd met sporen van een element uit groep 13 (B, Al, Ga, In, Tl), wordt het een p-type halfgeleider. Terwijl als het is gedoteerd met een element van groep 15 (N, P, As, Sb, Bi), het een n-type halfgeleider wordt.
- Lichtgevende diode (LED) is een p-n-overgangshalfgeleider. Wat betekent het? Dat het materiaal beide soorten halfgeleiders heeft, zowel n als p. Elektronen migreren van de geleidingsband van de n-type halfgeleider naar de valentieband van de p-type halfgeleider.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.