A sáv- elmélet határozza meg a szilárd anyag egészének elektronikus felépítését. Bármely típusú szilárd anyaghoz alkalmazható, de a fémekben a legnagyobb siker tükröződik. Ezen elmélet szerint a fémkötés a pozitív töltésű ionok és a kristályban lévő mozgatható elektronok közötti elektrosztatikus vonzódásból származik.
Ezért a fémkristálynak van egy "elektron tengere", amely magyarázza annak fizikai tulajdonságait. Az alábbi kép szemlélteti a fémes kapcsolatot. Az elektronok lila pontjait abban a tengerben helyezik el, amely körülveszi a pozitív töltésű fématomokat.
Az "elektronok tengere" az egyes fématomok egyedi hozzájárulásaiból alakul ki. Ezek a bemenetek az atomi pályáid. A fémszerkezetek általában kompaktok; minél tömörebbek, annál nagyobb az atomok kölcsönhatása.
Következésképpen atompályáik átfedésben vannak, és nagyon szűk molekuláris pályákat hoznak létre az energiában. Az elektronok tengere tehát nem más, mint egy molekuláris pálya nagy csoportja, különböző energiatartományú. Ezen energiák tartománya alkotja az úgynevezett energiasávokat.
Ezek a sávok a kristály bármely területén megtalálhatók, ezért egészének tekintik, és innen származik ennek az elméletnek a meghatározása.
Energia sáv modell
Amikor egy fématom orbitális értéke kölcsönhatásba lép a szomszédjával (N = 2), akkor két molekuláris orbitál alakul ki: az egyik kötésből (zöld sáv), a másik pedig anti-kötésből (sötétvörös sáv).
Ha N = 3, akkor három molekuláris pálya képződik, amelyek közül a középső (fekete sáv) nem kötődik. Ha N = 4, négy orbitál alakul ki, és a legnagyobb kötőképességű és a legnagyobb kötődésgátló jelleget elkülönítik egymástól.
A molekuláris orbitálok számára rendelkezésre álló energiatartomány kibővül, mivel a kristályban lévő fématomok hozzájárulnak az orbitákhoz. Ez azt is eredményezi, hogy az orbiták között az energetikai tér csökken, és sávba kondenzálnak.
Ez az s orbitálokból álló sáv alacsony energiájú (zöld és sárga színű) és nagy energiájú (narancssárga és piros színű) régiókkal rendelkezik. Energia szélsőségei alacsony sűrűségűek; azonban a központban a legtöbb molekuláris pálya koncentrálódik (fehér sáv).
Ez azt jelenti, hogy az elektronok „gyorsabban futnak” a sáv közepén, mint a végein.
Fermi szint
Az elektromos vezetőképesség az elektronok migrációjából áll egy vegyérték-sávból vezetőképesség-sávba.
Ha a két sáv közötti energiarés nagyon nagy, akkor van szigetelő szilárd anyag (mint a B esetében). Másrészt, ha ez a hézag viszonylag kicsi, akkor a szilárd anyag félvezető (C esetén).
Amikor a hőmérséklet megemelkedik, a valencia sávban lévő elektronok elegendő energiát szereznek ahhoz, hogy a vezető sáv felé vándoroljanak. Ez elektromos áramot eredményez.
Valójában ez a szilárd anyagok vagy a félvezető anyagok minősége: szobahőmérsékleten szigetelnek, magas hőmérsékleten pedig vezetőképesek.
Belső és külső félvezetők
A belső vezetők azok, amelyekben a valencia sáv és a vezető sáv közötti energiarés elég kicsi ahhoz, hogy a hőenergia lehetővé tegye az elektronok áthaladását.
Másrészről, a külső vezetők szennyeződés-mentesítés után változnak az elektronikus szerkezetükben, ami növeli azok elektromos vezetőképességét. Ez a szennyeződés lehet egy másik fém vagy egy nem fém elem.
Ha a szennyeződésben több valencia elektron van, akkor adományozó sávot képezhet, amely hídként szolgál az elektronoknak a valencia sávból a vezető sávba való átjutáshoz. Ezek a szilárd anyagok n típusú félvezetők. Az n név itt "negatív" -ból származik.
A felső képen a donor sávot a kék blokk ábrázolja, közvetlenül a vezető sáv alatt (n típus).
Másrészt, ha a szennyeződésnek kevesebb vegyérték-elektronja van, akkor egy elfogadó sávot biztosít, amely lerövidíti az energiarést a valencia sáv és a vezető sáv között.
Az elektronok először ezen a sáv felé vándorolnak, és „pozitív lyukakat” hagynak maguk után, amelyek az ellenkező irányba mozognak.
Mivel ezek a pozitív lyukak jelzik az elektronok áthaladását, a szilárd anyag vagy anyag egy p-típusú félvezető.
Példák az alkalmazott sáv-elméletre
- Magyarázza el, hogy a fémek miért fényesek: mozgó elektronuk a hullámhossztartomány széles tartományában képes elnyelni a sugárzást, ha magasabb energiaszintre ugornak. Ezután fényt bocsátanak ki, és visszatérnek a vezető sáv alsó szintjére.
- A kristályos szilícium a legfontosabb félvezető anyag. Ha a szilícium egy részét a 13. csoport elemének (B, Al, Ga, In, Tl) nyomaival adják le, akkor p-típusú félvezetővé válik. Ha a 15. csoport elemével (N, P, As, Sb, Bi) adalékolva n-típusú félvezetővé válik.
- A fénykibocsátó dióda (LED) egy pn alaplapú félvezető. Mit jelent? Hogy az anyag mindkét típusú félvezetővel rendelkezik, mind n, mind p. Az elektronok az n-típusú félvezető vezetési sávjától a p-típusú félvezető valencia-sávjáig vándorolnak.
Irodalom
- Whitten, Davis, Peck és Stanley. Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Learning, 486-490.
- Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás, 103-107, 633-635. Oldal). Mc Graw Hill.
- Nave CR (2016). A szilárd zenekarok elmélete. Visszakeresve: 2018. április 28-án, a következő helyről: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Steve Kornic. (2011). A kötvényekből a sávokba a vegyész szempontjából. Letöltve: 2018. április 28-án, a következő helyről: chembio.uoguelph.ca
- Wikipedia. (2018). Külső félvezető. Visszakeresve: 2018. április 28-án, az en.wikipedia.org webhelyről
- BYJU'S. (2018). A fémek sávos elmélete. Visszakeresve: 2018. április 28-án, a következő oldalon: byjus.com