ТЕОРИЯ ЛЕНТ: МОДЕЛЬ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Зонная теория определяет электронную структуру твердого тела в целом. Его можно применять к любому типу твердого тела, но именно в металлах отражены его наибольшие успехи. Согласно этой теории, металлическая связь возникает в результате электростатического притяжения между положительно заряженными ионами и подвижными электронами в кристалле.

Следовательно, у металлического кристалла есть «море электронов», которое может объяснить его физические свойства. На изображении ниже показано металлическое звено. Пурпурные точки электронов делокализованы в море, которое окружает положительно заряженные атомы металлов.

«Море электронов» формируется из индивидуальных вкладов каждого атома металла. Эти входные данные - ваши атомные орбитали. Металлоконструкции в целом компактны; чем они компактнее, тем сильнее взаимодействие между их атомами.

Следовательно, их атомные орбитали перекрываются, образуя очень узкие молекулярные орбитали по энергии. Таким образом, море электронов представляет собой не что иное, как большой набор молекулярных орбиталей с различными диапазонами энергий. Диапазон этих энергий составляет так называемые энергетические полосы.

Эти полосы присутствуют в любых областях кристалла, поэтому он рассматривается как единое целое, и отсюда происходит определение этой теории.

Модель энергетического диапазона

Когда s-орбиталь металлического атома взаимодействует с орбиталью его соседа (N = 2), образуются две молекулярные орбитали: одна связи (зеленая полоса), а другая - анти-связи (темно-красная полоса).

Если N = 3, то теперь формируются три молекулярные орбитали, из которых средняя (черная полоса) не связывается. Если N = 4, формируются четыре орбитали, и одна с наибольшим характером связывания и одна с наибольшим антисвязывающим характером разделяются дальше.

Диапазон энергии, доступной молекулярным орбиталям, расширяется по мере того, как атомы металла в кристалле вносят свой вклад в свои орбитали. Это также приводит к уменьшению энергетического пространства между орбиталями до такой степени, что они конденсируются в полосу.

Эта полоса, состоящая из s-орбиталей, имеет области низкой энергии (окрашенные в зеленый и желтый) и области высокой энергии (окрашенные в оранжевый и красный). Его крайности энергии имеют низкую плотность; однако в центре сосредоточено большинство молекулярных орбиталей (белая полоса).

Это означает, что электроны «бегут быстрее» через центр полосы, чем через ее концы.

Уровень Ферми

Таким образом, электропроводность состоит из миграции электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Если энергетическая щель между обеими полосами очень велика, у вас есть изолирующее тело (как в случае с B). С другой стороны, если этот зазор относительно невелик, твердое тело является полупроводником (в случае C).

Когда температура увеличивается, электроны в валентной зоне приобретают достаточно энергии, чтобы мигрировать в зону проводимости. В результате возникает электрический ток.

По сути, это качество твердых тел или полупроводниковых материалов: при комнатной температуре они изолирующие, а при высоких - проводящие.

Собственные и внешние полупроводники

Собственные проводники - это такие проводники, в которых энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости достаточно мал для того, чтобы тепловая энергия позволяла проходить электронам.

С другой стороны, внешние проводники обнаруживают изменения в своей электронной структуре после легирования примесями, которые увеличивают их электропроводность. Эта примесь может быть другим металлом или неметаллическим элементом.

Если примесь имеет больше валентных электронов, она может обеспечить донорную зону, которая служит мостом для электронов из валентной зоны, чтобы перейти в зону проводимости. Эти твердые тела являются полупроводниками n-типа. Здесь имя n происходит от «негатива».

На верхнем изображении донорная зона показана в синем блоке сразу под зоной проводимости (Тип n).

С другой стороны, если примесь имеет меньше валентных электронов, она образует акцепторную зону, которая сокращает энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости.

Электроны сначала мигрируют к этой зоне, оставляя за собой «положительные дыры», которые движутся в противоположном направлении.

Поскольку эти положительные отверстия отмечают прохождение электронов, твердое тело или материал является полупроводником p-типа.

Примеры прикладной теории лент

- Объясните, почему металлы блестят: их движущиеся электроны могут поглощать излучение в широком диапазоне длин волн, когда они прыгают на более высокие уровни энергии. Затем они излучают свет, возвращаясь на более низкие уровни зоны проводимости.

- Кристаллический кремний - важнейший полупроводниковый материал. Если часть кремния легирована следами элемента группы 13 (B, Al, Ga, In, Tl), он становится полупроводником p-типа. А если он легирован элементом группы 15 (N, P, As, Sb, Bi), он становится полупроводником n-типа.

- Светоизлучающий диод (LED) - это полупроводник на плате pn. Что это означает? Что в материале есть полупроводники обоих типов, n и p. Электроны мигрируют из зоны проводимости полупроводника n-типа в валентную зону полупроводника p-типа.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр 486-490.
2. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Издание четвертое, стр. 103-107, 633-635). Мак Гроу Хилл.
3. Неф CR (2016). Ленточная теория твердого тела. Получено 28 апреля 2018 г. с: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Стив Корнич. (2011). Переход от облигаций к полосам с точки зрения химика. Получено 28 апреля 2018 г. с: chembio.uoguelph.ca
5. Wikipedia. (2018). Внешний полупроводник. Получено 28 апреля 2018 г. с сайта en.wikipedia.org.
6. BYJU. (2018). Зонная теория металлов. Получено 28 апреля 2018 г. с: byjus.com