Bandtheorie van vaste stoffen

Kwantumfysica beschrijft de toestanden van elektronen in een atoom volgens het viervoudige schema van kwantumgetallen . De kwantumgetallen beschrijven de toegestane toestanden elektronen kunnen aannemen in een atoom. Om de analogie van een amfitheater te gebruiken, beschrijven kwantumgetallen hoeveel rijen en stoelen er beschikbaar zijn. Individuele elektronen kunnen worden beschreven door de combinatie van kwantumgetallen, zoals een toeschouwer in een amfitheater die is toegewezen aan een bepaalde rij en stoel.

Net als toeschouwers in een amfitheater die zich verplaatsen tussen stoelen en rijen, kunnen elektronen hun status veranderen, gezien de aanwezigheid van beschikbare ruimtes en beschikbare energie. Omdat het schaalniveau nauw verband houdt met de hoeveelheid energie die een elektron bezit, vereist "sprongen" tussen schaalniveaus (en zelfs subschaalniveaus) overdrachten van energie. Als een elektron naar een schil van hogere orde moet gaan, moet er extra energie aan het elektron worden gegeven vanuit een externe bron. Met behulp van de amfitheater-analogie is er meer energie nodig voor een persoon om naar een hogere rij stoelen te gaan, omdat die persoon tegen de zwaartekracht in naar een grotere hoogte moet klimmen. Omgekeerd geeft een elektron dat in een lagere schil "springt" een deel van zijn energie af, zoals een persoon die in een lagere rij stoelen springt, waarbij de verbruikte energie zich manifesteert als warmte en geluid.

Niet alle "sprongen" zijn gelijk. Sprongen tussen verschillende schillen vereisen een substantiële uitwisseling van energie, maar sprongen tussen subschillen of tussen orbitalen vereisen minder uitwisselingen.

Wanneer atomen samensmelten om stoffen te vormen, smelten de buitenste schillen, subschillen en orbitalen samen, waardoor elektronen een groter aantal beschikbare energieniveaus kunnen aannemen. Wanneer grote aantallen atomen dicht bij elkaar liggen, vormen deze beschikbare energieniveaus een bijna continue band waarin elektronen kunnen bewegen zoals geïllustreerd in onderstaande afbeelding

Overlappende elektronenband in metalen elementen.

Het is de breedte van deze banden en hun nabijheid tot bestaande elektronen die bepalen hoe mobiel die elektronen zullen zijn wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld. In metallische stoffen overlappen lege banden met banden die elektronen bevatten, wat betekent dat elektronen van een enkel atoom zich kunnen verplaatsen naar wat normaal een toestand op een hoger niveau zou zijn met weinig of geen extra energie. Er wordt dus gezegd dat de buitenste elektronen "vrij" zijn en klaar om te bewegen op het wenken van een elektrisch veld.

Bandoverlap zal niet in alle stoffen voorkomen, hoeveel atomen ook dicht bij elkaar liggen. Bij sommige stoffen blijft er een aanzienlijke kloof bestaan ​​tussen de hoogste band die elektronen bevat (de zogenaamde valentieband ) en de volgende band, die leeg is (de zogenaamde geleidingsband ). Zie onderstaande afbeelding. Dientengevolge zijn valentie-elektronen "gebonden" aan hun samenstellende atomen en kunnen ze niet mobiel worden in de stof zonder een aanzienlijke hoeveelheid verleende energie. Deze stoffen zijn elektrische isolatoren.

Elektronenbandscheiding in isolerende stoffen.

Materialen die vallen in de categorie halfgeleiders hebben een smalle opening tussen de valentie- en geleidingsbanden. De hoeveelheid energie die nodig is om een ​​valentie-elektron in de geleidingsband te motiveren, waar het mobiel wordt, is dus vrij bescheiden. (Figuur hieronder)

Elektronenbandscheiding in halfgeleidende stoffen, (a) massa's halfgeleidende nabije atomen resulteert nog steeds in een significante bandafstand, (b) massa's nabije metaalatomen ter referentie.

Bij lage temperaturen is er weinig thermische energie beschikbaar om valentie-elektronen over deze opening te duwen, en het halfgeleidende materiaal werkt meer als een isolator. Bij hogere temperaturen wordt de thermische energie van de omgeving echter voldoende om elektronen door de opening te dwingen, en het materiaal zal de geleiding van elektriciteit vergroten. Het is moeilijk om de geleidende eigenschappen van een stof te voorspellen door de elektronenconfiguraties van de samenstellende atomen te onderzoeken. Hoewel de beste metalen geleiders van elektriciteit (zilver, koper en goud) allemaal buitenste en hebben subschillen met een enkel elektron, is de relatie tussen geleidbaarheid en het aantal valentie-elektronen niet noodzakelijk consistent:

De elektronenbandconfiguraties geproduceerd door verbindingen van verschillende elementen tarten een gemakkelijke associatie met de elektronenconfiguraties van de samenstellende elementen.

BEOORDELING:

• Er is energie nodig om een ​​elektron uit de valentieband te verwijderen naar een hogere onbezette band, een geleidingsband. Er is meer energie nodig om tussen shells te bewegen, minder tussen subshells.
• Omdat de valentie- en geleidingsbanden elkaar overlappen in metalen, verwijdert weinig energie een elektron. Metalen zijn uitstekende geleiders.
• De grote opening tussen de valentie- en geleidingsbanden van een isolator vereist veel energie om een ​​elektron te verwijderen. Dus isolatoren geleiden niet.
• Halfgeleiders hebben een kleine niet-overlappende opening tussen de valentie- en geleidingsbanden. Zuivere halfgeleiders zijn noch goede isolatoren noch geleiders. Halfgeleiders zijn halfgeleidend.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Elektrische geleiding in halfgeleiders werkblad