Valentie en kristalstructuur

Valentie: De elektronen in de buitenste schil, of valentieschil, staan ​​bekend als valentie elektronen. Deze valentie-elektronen zijn verantwoordelijk voor de chemische eigenschappen van de chemische elementen. Het zijn deze elektronen die deelnemen aan chemische reacties met andere elementen. Een te vereenvoudigde scheikundige regel die van toepassing is op eenvoudige reacties is dat atomen proberen een volledige buitenste schil van 8 elektronen te vormen (twee voor de L-schil). Atomen kunnen een paar elektronen weggeven om een ​​onderliggende volledige schil bloot te leggen. Atomen kunnen een paar elektronen accepteren om de schaal te voltooien. Deze twee processen vormen ionen uit atomen. Atomen kunnen zelfs elektronen tussen atomen delen in een poging de buitenste schil te voltooien. Dit proces vormt moleculaire bindingen. Dat wil zeggen, atomen associëren om een ​​molecuul te vormen

Dirigent

Bijvoorbeeld groep I-elementen:Li, Na, K, Cu, Ag en Au hebben een enkel valentie-elektron. (Figuur hieronder) Deze elementen hebben allemaal vergelijkbare chemische eigenschappen. Deze atomen geven gemakkelijk één elektron weg om met andere elementen te reageren. Het vermogen om gemakkelijk een elektron weg te geven, maakt deze elementen uitstekende geleiders.

Periodiek systeemgroep IA-elementen:Li, Na en K, en groep IB-elementen:Cu, Ag en Au hebben één elektron in de buitenste of valentieschil, die gemakkelijk kan worden gedoneerd. Binnenste schilelektronen:Voor n=1, 2, 3, 4; 2n ² =2, 8, 18, 32.

Isolator

Groep VIIA-elementen:Fl, Cl, Br en I hebben allemaal 7 elektronen in de buitenste schil. Deze elementen accepteren gemakkelijk een elektron om de buitenste schil te vullen met maar liefst 8 elektronen. (Figuur hieronder) Als deze elementen wel een elektron accepteren, wordt uit het neutrale atoom een ​​negatief ion gevormd. Deze elementen die geen elektronen afstaan, zijn isolatoren.

Periodieke tabelgroep VIIA-elementen:F, Cl, Br en I met 7 valentie-elektronen accepteren gemakkelijk een elektron in reacties met andere elementen.

Een Cl-atoom accepteert bijvoorbeeld een elektron van een Na-atoom om een ​​Cl ^- te worden ion zoals weergegeven in onderstaande afbeelding. Een ion is een geladen deeltje gevormd uit een atoom door ofwel een elektron te doneren of te accepteren. Als het Na-atoom een ​​elektron afstaat, wordt het een Na+-ion. Dit is hoe Na- en Cl-atomen worden gecombineerd om NaCl te vormen, tafelzout, wat eigenlijk Na ⁺ is Cl ^- , een paar ionen. De Na ⁺ en Cl ^- tegengestelde ladingen dragen, trekken elkaar aan.

Neutraal natriumatoom doneert een elektron aan neutraal chlooratoom dat Na vormt + en Cl - ionen.

Natriumchloride kristalliseert in de kubische structuur die wordt weergegeven in onderstaande afbeelding. Dit model is niet op schaal om de driedimensionale structuur weer te geven. De Na ⁺ Cl ^- ionen zijn eigenlijk vergelijkbaar verpakt als lagen gestapelde knikkers. De gemakkelijk te tekenen kubische kristalstructuur illustreert dat een vast kristal geladen deeltjes kan bevatten.

Groep VIIIA-elementen:He, Ne, Ar, Kr, Xe hebben allemaal 8 elektronen in de valentieschil. (Figuur hieronder) Dat wil zeggen, de valentieschil is compleet, wat betekent dat deze elementen geen elektronen afstaan ​​of accepteren. Evenmin nemen ze gemakkelijk deel aan chemische reacties, aangezien elementen van groep VIIIA zich niet gemakkelijk combineren met andere elementen. In de afgelopen jaren hebben scheikundigen Xe en Kr gedwongen enkele verbindingen te vormen, maar voor de doeleinden van onze discussie is dit niet van toepassing. Deze elementen zijn goede elektrische isolatoren en zijn gassen bij kamertemperatuur.

Groep VIIIA-elementen:He, Ne, Ar, Kr, Xe zijn grotendeels niet-reactief omdat de valentieschil compleet is.

Halfgeleiders

Groep IVA-elementen:C, Si, Ge, met 4 elektronen in de valentieschil, zoals weergegeven in onderstaande figuur, vormen verbindingen door elektronen te delen met andere elementen zonder ionen te vormen. Deze gedeelde elektronenbinding staat bekend als covalente binding . Merk op dat het middelste atoom (en de andere bij uitbreiding) zijn valentieschil heeft voltooid door elektronen te delen. Merk op dat de afbeelding een 2d-weergave is van binding, wat eigenlijk 3d is. Het is deze groep, IVA, waarin we geïnteresseerd zijn vanwege zijn halfgeleidende eigenschappen.

(a) Groep IVA-elementen:C, Si, Ge met 4 elektronen in de valentieschil, (b) voltooi de valentieschil door elektronen te delen met andere elementen.

Kristalstructuur: De meeste anorganische stoffen vormen hun atomen (of ionen) tot een geordende reeks die bekend staat als een kristal . De buitenste elektronenwolken van atomen werken op een ordelijke manier samen. Zelfs metalen zijn op microscopisch niveau uit kristallen samengesteld. Als een metaalmonster een optische polijsting krijgt en vervolgens met zuur wordt geëtst, wordt het microscopische microkristallijne structuur wordt weergegeven zoals in onderstaande afbeelding. Het is ook mogelijk om tegen aanzienlijke kosten metalen eenkristalmonsters te kopen bij gespecialiseerde leveranciers. Polijsten en etsen van een dergelijk monster onthult geen microkristallijne structuur. Vrijwel alle industriële metalen zijn polykristallijn. De meeste moderne halfgeleiders daarentegen zijn apparaten met één kristal. We zijn vooral geïnteresseerd in monokristallijne structuren.

(a) Metaalmonster, (b) gepolijst, (c) zuur geëtst om de microkristallijne structuur te tonen.

Veel metalen zijn zacht en gemakkelijk te vervormen door de verschillende metaalbewerkingstechnieken. Bij metaalbewerking worden de microkristallen vervormd. Ook zijn de valentie-elektronen vrij om over het kristalrooster te bewegen en van kristal naar kristal. De valentie-elektronen behoren niet tot een bepaald atoom, maar tot alle atomen.

De stijve kristalstructuur in onderstaande figuur is samengesteld uit een regelmatig herhalend patroon van positieve Na-ionen en negatieve Cl-ionen. De Na- en Cl-atomen vormen Na ⁺ en Cl ^- ionen door een elektron over te brengen van Na naar Cl, zonder vrije elektronen. Elektronen kunnen niet vrij over het kristalrooster bewegen, een verschil met metaal. Ook zijn de ionen niet vrij. Ionen zijn op hun plaats gefixeerd in de kristalstructuur. De ionen kunnen echter vrij bewegen als het NaCl-kristal wordt opgelost in water. Het kristal bestaat echter niet meer. De vaste, herhalende structuur is verdwenen. Verdamping van het water zet de Na ⁺ . neer en Cl ^- ionen in de vorm van nieuwe kristallen als de tegengesteld geladen ionen elkaar aantrekken. Ionische materialen vormen kristalstructuren door de sterke elektrostatische aantrekkingskracht van de tegengesteld geladen ionen.

NaCl kristal met een kubieke str Halfgeleiders in groep 14 (voorheen onderdeel van groep IV) vormen een tetraëdrisch bindingspatroon met behulp van de s- en p-orbitale elektronen rond het atoom, waarbij elektronenpaarbindingen worden gedeeld met vier aangrenzende atomen. (Figuur hieronder (a)). Groep 14-elementen hebben vier buitenste elektronen:twee in een bolvormige s-orbitaal en twee in p-orbitalen. Een van de p-orbitalen is niet bezet. De drie p-orbitalen hybridiseren met de s-orbitalen om vier sp ³ te vormen moleculaire orbitalen. Deze vier-elektronenwolken stoten elkaar af tot equidistante tetraëdrische afstanden rond het Si-atoom, aangetrokken door de positieve kern, zoals weergegeven in onderstaande afbeelding.

Eén s-orbitaal en drie p-orbitaal elektronen hybridiseren en vormen vier sp ³ moleculaire orbitalen.

Elk halfgeleideratoom, Si, Ge of C (diamant) is chemisch gebonden aan vier andere atomen door covalente bindingen , gedeelde elektronbindingen. Twee elektronen kunnen een orbitaal delen als elk tegenovergestelde spinkwantumnummers heeft. Zo kan een ongepaard elektron een orbitaal delen met een elektron van een ander atoom. Dit komt overeen met de overlappende figuur hieronder (a) van de elektronenwolken, of binding. De onderstaande figuur (b) is een vierde van het volume van de eenheidscel met diamantkristalstructuur zoals weergegeven in onderstaande figuur bij de oorsprong. De bindingen zijn bijzonder sterk in diamant, waarbij de sterkte afneemt naar groep IV naar silicium en germanium. Silicium en germanium vormen beide kristallen met een diamantstructuur.

(a) Tetraëdrische binding van Si-atoom. (b) leidt tot 1/4 van de kubieke eenheidscel

De diamanten eenheidscel is de basiskristalbouwsteen. De onderstaande afbeelding toont vier atomen (donker) gebonden aan vier andere binnen het volume van de cel. Dit komt overeen met het plaatsen van een van de bovenstaande afbeelding (b) op de oorsprong in de onderstaande afbeelding en vervolgens drie andere op aangrenzende vlakken om de volledige kubus te vullen. Zes atomen vallen op het midden van elk van de zes kubusvlakken, wat twee bindingen laat zien. De andere twee bindingen met aangrenzende kubussen zijn voor de duidelijkheid weggelaten. Van de acht kubushoeken binden vier atomen zich aan een atoom in de kubus. Waar zijn de andere vier atomen gebonden? De andere vier binden zich aan aangrenzende kubussen van het kristal. Houd in gedachten dat hoewel vier hoekatomen geen bindingen in de kubus vertonen, alle atomen in het kristal zijn gebonden in één gigantisch molecuul. Uit kopieën van deze eenheidscel wordt een halfgeleiderkristal opgebouwd.

Si, Ge en C (diamant) vormen een doorschoten kubus in het midden van het gezicht.

Het kristal is in feite één molecuul. Een atoom bindt covalent aan vier andere, die op hun beurt aan vier andere binden, enzovoort. Het kristalrooster is relatief stijf en bestand tegen vervorming. Er zijn maar weinig elektronen die zichzelf vrijmaken voor geleiding over het kristal. Een eigenschap van halfgeleiders is dat zodra een elektron is vrijgemaakt, er een positief geladen lege ruimte ontstaat die ook bijdraagt ​​aan de geleiding.

BEOORDELING

• Atomen proberen een volledige buitenste valentie te vormen, een schil van 8 elektronen (2 elektronen voor de binnenste schil). Atomen kunnen een paar elektronen afstaan ​​om een ​​onderliggende schil van 8 bloot te leggen, een paar elektronen accepteren om een ​​schil te voltooien of elektronen delen om een ​​schil te voltooien.
• Atomen vormen vaak geordende arrays van ionen of atomen in een starre structuur die bekend staat als een kristal.
• Een neutraal atoom kan een positief ion vormen door een elektron af te staan.
• Een neutraal atoom kan een negatief ion vormen door een elektron te accepteren
• De groep IVA halfgeleiders:C, Si, Ge kristalliseren tot een diamantstructuur. Elk atoom in het kristal maakt deel uit van een gigantisch molecuul en bindt zich aan vier andere atomen.
• De meeste halfgeleiderapparaten zijn gemaakt van eenkristallen.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Elektrische geleiding in halfgeleiders werkblad