BÄNDITEORIA: MALLI JA ESIMERKIT - KEMIA - 2026

Bändi teoria on yksi, joka määrittää elektronisen rakenteen kiinteän kokonaisuudessaan. Sitä voidaan käyttää minkä tahansa tyyppisiin kiinteisiin aineisiin, mutta metalleissa heijastuvat sen suurimmat menestykset. Tämän teorian mukaan metallisidos johtuu positiivisesti varautuneiden ionien ja kiteessä olevien liikkuvien elektronien välisestä staattisesta vetovoimasta.

Siksi metallikiteellä on "elektronien meri", joka selittää sen fysikaaliset ominaisuudet. Seuraava kuva kuvaa metallista linkkiä. Elektronien violetit pisteet siirretään merelle, joka ympäröi positiivisesti varautuneita metalliatomeja.

"Elektronien meri" muodostuu kunkin metalliatomin yksittäisistä panoksista. Nämä tulot ovat atomien kiertoradasi. Metallirakenteet ovat yleensä kompakteja; mitä pienemmät ne ovat, sitä suurempi vuorovaikutus atomien välillä on.

Tämän seurauksena niiden atomiorbitaalit ovat päällekkäin muodostaen erittäin kapeita molekyyliorbitaaleja energiassa. Elektronien meri ei ole siis muuta kuin suuri joukko molekyyliorbitaaleja, joilla on erilaiset energia-alueet. Näiden energia-alueiden muodostavat niin kutsuttu energiakaisto.

Nämä nauhat ovat läsnä kaikilla kristallin alueilla, minkä vuoksi sitä pidetään kokonaisuutena, ja sieltä tulee tämän teorian määritelmä.

Energiakaistan malli

Kun metallisen atomin kiertorata on vuorovaikutuksessa naapurinsa kanssa (N = 2), muodostuu kaksi molekyyliorbitaalia: toinen sidoksesta (vihreä kaista) ja toinen anti-sidoksesta (tummanpunainen kaista).

Jos N = 3, muodostuu nyt kolme molekyyliorbitaalia, joista keskiosa (musta kaista) ei ole sitoutuva. Jos N = 4, muodostuu neljä kiertorataa ja yksi, jolla on korkein sitoutumisominaisuus ja yksi, jolla on korkein sitoutumisvastus, erotetaan edelleen.

Molekyyliorbitaalien käytettävissä oleva energiaalue laajenee, kun kiteessä olevat metalliatomit lisäävät niiden kiertoradaa. Tämä johtaa myös pienentymiseen energiatilassa orbitaalien välillä siihen pisteeseen, että ne tiivistyvät kaistaksi.

Tässä s-kiertoradasta koostuvassa bändissä on vähän energiaa (ne, jotka on värjätty vihreänä ja keltaisena) ja paljon energiaa (ne, jotka on värjätty oranssina ja punaisena). Sen energia-ääripään tiheys on alhainen; kuitenkin keskellä suurin osa molekyyliorbitaaleista on väkevöity (valkoinen kaista).

Tämä tarkoittaa, että elektronit "juoksevat nopeammin" kaistan keskustan läpi kuin sen päiden läpi.

Fermi-taso

Sähkönjohtavuus koostuu sitten elektronien kulkeutumisesta valenssikaistaan ​​johtavuuskaistaan.

Jos energiarako molempien kaistojen välillä on erittäin suuri, sinulla on eristävä kiinteä aine (kuten B: ssä). Toisaalta, jos tämä aukko on suhteellisen pieni, kiinteä aine on puolijohde (C: n tapauksessa).

Lämpötilan noustessa valenssikaistalla olevat elektronit hankkivat tarpeeksi energiaa siirtyäkseen johtamiskaistaa kohti. Tämä johtaa sähkövirtaan.

Itse asiassa tämä on kiintoaineiden tai puolijohdemateriaalien laatua: huoneenlämpötilassa ne ovat eristäviä, mutta korkeissa lämpötiloissa johtavat.

Sisäiset ja ulkoiset puolijohteet

Sisäisiä johtimia ovat johtimet, joissa valenssikaistan ja johtamiskaistan välinen energiaero on riittävän pieni lämpöenergian sallimiseksi elektronien läpi.

Toisaalta ulkoisissa johtimissa esiintyy muutoksia elektronisissa rakenteissaan epäpuhtauksien seostamisen jälkeen, mikä lisää niiden sähkönjohtavuutta. Tämä epäpuhtaus voi olla toinen metalli tai ei-metalliosa.

Jos epäpuhtaudessa on enemmän valenssielektroneja, se voi tarjota luovuttajanauhan, joka toimii sillana elektronille valenssikaistalta ylittämään johtamiskaistalle. Nämä kiinteät aineet ovat n-tyyppisiä puolijohteita. Tässä nimi n tulee "negatiivisesta".

Yläkuvassa luovuttajanauha on esitetty sinisellä lohkolla juuri johdinkaistan alapuolella (tyyppi n).

Toisaalta, jos epäpuhtaudessa on vähemmän valenssielektroneja, se tarjoaa hyväksyntäkaistan, joka lyhentää valenssikaistan ja johtamiskaistan välistä energiaväliä.

Elektronit siirtyvät ensin tätä kaistaa kohti, jättäen taakse “positiiviset reiät”, jotka liikkuvat vastakkaiseen suuntaan.

Koska nämä positiiviset reiät merkitsevät elektronien kulkua, kiinteä aine tai materiaali on p-tyyppinen puolijohde.

Esimerkkejä sovelletusta bänditeoriasta

- Selitä miksi metallit ovat kiiltäviä: niiden liikkuvat elektronit voivat absorboida säteilyä laajalla aallonpituusalueella, kun ne hyppäävät korkeammille energiatasoille. Sitten ne lähettävät valoa, palaamalla johtamiskaistan alemmille tasoille.

- Kiteinen pii on tärkein puolijohdemateriaali. Jos osa piistä seostetaan ryhmän 13 elementin (B, Al, Ga, In, Tl) jälkeillä, siitä tulee p-tyyppinen puolijohde. Kun taas se on seostettu ryhmän 15 elementillä (N, P, As, Sb, Bi), siitä tulee n-tyyppinen puolijohde.

- Valodiodi (LED) on pn-levypuolijohde. Mitä se tarkoittaa? Että materiaalissa on molemmat tyyppiset puolijohteet, sekä n että p. Elektronit siirtyvät n-tyyppisen puolijohteen johtamiskaistalta p-tyyppisen puolijohteen valenssikaistalle.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. Kemia. (8. painos). CENGAGE Learning, s. 486-490.
2. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos., Sivut 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
3. Nave CR (2016). Kiinteiden aineiden bänditeoria. Haettu 28. huhtikuuta 2018, sivulta: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Steve Kornic. (2011). Siirtyminen joukkovelkakirjoista bändeihin kemisteen näkökulmasta. Haettu 28. huhtikuuta 2018, osoitteesta: chembio.uoguelph.ca
5. Wikipedia. (2018). Ulkopuolinen puolijohde. Haettu 28. huhtikuuta 2018, osoitteesta: en.wikipedia.org
6. BYJU'S. (2018). Metallien kaistausteoria. Haettu 28. huhtikuuta 2018, osoitteesta: byjus.com