- نموذج نطاق الطاقة
- مستوى فيرمي
- أشباه الموصلات الداخلية والخارجية
- أمثلة على نظرية الفرقة التطبيقية
- المراجع
نظرية النطاق هي نظرية تحدد البنية الإلكترونية للمادة الصلبة ككل. يمكن تطبيقه على أي نوع من المواد الصلبة ، ولكن في المعادن تنعكس أكبر نجاحاته. وفقًا لهذه النظرية ، تنتج الرابطة المعدنية عن التجاذب الكهروستاتيكي بين الأيونات الموجبة الشحنة والإلكترونات المتنقلة في البلورة.
لذلك ، تحتوي البلورة المعدنية على "بحر من الإلكترونات" ، والتي يمكن أن تفسر خصائصها الفيزيائية. الصورة أدناه توضح الرابط المعدني. يتم تحديد النقاط الأرجواني للإلكترونات في بحر يحيط بذرات المعدن موجبة الشحنة.
يتكون "بحر الإلكترونات" من المساهمات الفردية لكل ذرة فلز. هذه المدخلات هي مداراتك الذرية. الهياكل المعدنية مدمجة بشكل عام ؛ وكلما كانت أكثر اندماجًا ، زادت التفاعلات بين ذراتها.
وبالتالي ، تتداخل مداراتها الذرية لتوليد مدارات جزيئية ضيقة جدًا في الطاقة. إن بحر الإلكترونات ليس أكثر من مجموعة كبيرة من المدارات الجزيئية ذات نطاقات مختلفة من الطاقات. يشكل نطاق هذه الطاقات ما يعرف بنطاقات الطاقة.
هذه العصابات موجودة في أي مناطق من البلورة ، وهذا هو سبب اعتبارها ككل ، ومن هنا يأتي تعريف هذه النظرية.
نموذج نطاق الطاقة
عندما يتفاعل المدار s للذرة المعدنية مع المدار المجاور لها (N = 2) ، يتشكل مداريان جزيئيان: أحدهما رابطة (شريط أخضر) والآخر رابطة مضادة (شريط أحمر داكن).
إذا كانت N = 3 ، يتم الآن تشكيل ثلاثة مدارات جزيئية ، منها الوسط (الشريط الأسود) غير مرتبط. إذا كانت N = 4 ، يتم تشكيل أربعة مدارات ويتم فصل المدارات ذات الطابع الترابط الأكبر والأكبر ذات الطابع المضاد للترابط.
يتسع نطاق الطاقة المتاحة للمدارات الجزيئية حيث تساهم ذرات المعدن في البلورة في مداراتها. ينتج عن هذا أيضًا انخفاض في المساحة النشطة بين المدارات ، لدرجة أنها تتكثف في نطاق.
يتكون هذا النطاق من مدارات s بها مناطق ذات طاقة منخفضة (تلك الملونة باللون الأخضر والأصفر) والطاقة العالية (تلك الملونة باللون البرتقالي والأحمر). طاقتها القصوى لها كثافة منخفضة ؛ ومع ذلك ، في الوسط تتركز معظم المدارات الجزيئية (الشريط الأبيض).
وهذا يعني أن الإلكترونات "تعمل بشكل أسرع" عبر مركز النطاق أكثر من نهاياتها.
مستوى فيرمي
ثم تتكون الموصلية الكهربائية من انتقال الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل.
إذا كانت فجوة الطاقة بين النطاقين كبيرة جدًا ، فلديك مادة صلبة عازلة (كما هو الحال مع B). من ناحية أخرى ، إذا كانت هذه الفجوة صغيرة نسبيًا ، فإن المادة الصلبة عبارة عن شبه موصل (في حالة C).
عندما تزداد درجة الحرارة ، تكتسب الإلكترونات في نطاق التكافؤ طاقة كافية للهجرة نحو نطاق التوصيل. ينتج عن هذا تيار كهربائي.
في الواقع ، هذه هي نوعية المواد الصلبة أو أشباه الموصلات: في درجة حرارة الغرفة تكون عازلة ، ولكن في درجات الحرارة العالية تكون موصلة.
أشباه الموصلات الداخلية والخارجية
الموصلات الجوهرية هي تلك التي تكون فيها فجوة الطاقة بين نطاق التكافؤ وحزام التوصيل صغيرة بما يكفي للسماح للطاقة الحرارية بالمرور من خلالها.
من ناحية أخرى ، تُظهر الموصلات الخارجية تغييرات في هياكلها الإلكترونية بعد تعاطي المنشطات بالشوائب ، مما يزيد من توصيلها الكهربائي. يمكن أن تكون هذه الشوائب معدنًا آخر أو عنصرًا غير معدني.
إذا كانت الشوائب تحتوي على عدد أكبر من إلكترونات التكافؤ ، فيمكنها توفير نطاق مانح يعمل كجسر للإلكترونات من نطاق التكافؤ للعبور إلى نطاق التوصيل. هذه المواد الصلبة عبارة عن أشباه موصلات من النوع n. هنا يأتي الاسم n من "سلبي".
في الصورة العلوية ، يتم توضيح الشريط المانح في الكتلة الزرقاء أسفل نطاق التوصيل مباشرة (النوع n).
من ناحية أخرى ، إذا كانت الشوائب تحتوي على عدد أقل من إلكترونات التكافؤ ، فإنها توفر نطاقًا متقبلًا ، مما يقلل فجوة الطاقة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل.
تهاجر الإلكترونات أولاً نحو هذا النطاق ، تاركة وراءها "ثقوبًا موجبة" تتحرك في الاتجاه المعاكس.
نظرًا لأن هذه الثقوب الإيجابية تشير إلى مرور الإلكترونات ، فإن المادة الصلبة أو المادة هي أشباه موصلات من النوع p.
أمثلة على نظرية الفرقة التطبيقية
- اشرح سبب لمعان المعادن: يمكن لإلكتروناتها المتحركة امتصاص الإشعاع في نطاق واسع من الأطوال الموجية عندما تقفز إلى مستويات طاقة أعلى. ثم ينبعث منها الضوء ، ويعود إلى المستويات المنخفضة من نطاق التوصيل.
- السليكون المتبلور هو أهم مادة شبه موصلة. إذا تمت معالجة جزء من السيليكون بآثار من عنصر المجموعة 13 (B ، Al ، Ga ، In ، Tl) ، فإنه يصبح أشباه موصلات من النوع p. في حين أنه إذا تم تعاطيه بعنصر من المجموعة 15 (N ، P ، As ، Sb ، Bi) فإنه يصبح أشباه موصلات من النوع n.
- الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) هو أشباه موصلات لوحة pn. ماذا تعني؟ أن المادة تحتوي على كلا النوعين من أشباه الموصلات ، n و p. تهاجر الإلكترونات من نطاق التوصيل لأشباه الموصلات من النوع n إلى نطاق التكافؤ لأشباه الموصلات من النوع p.
المراجع
- ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم CENGAGE ، ص 486-490.
- رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (الطبعة الرابعة ، ص 103-107 ، 633-635). ماك جراو هيل.
- ناف سي آر (2016). نظرية الفرقة للمواد الصلبة. تم الاسترجاع في 28 أبريل 2018 من: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- ستيف كورنيك. (2011). الانتقال من السندات إلى العصابات من وجهة نظر الكيميائي. تم الاسترجاع في 28 أبريل 2018 من: chembio.uoguelph.ca
- ويكيبيديا. (2018). أشباه الموصلات الخارجية. تم الاسترجاع في 28 أبريل 2018 من: en.wikipedia.org
- BYJU'S. (2018). نظرية الفرقة للمعادن. تم الاسترجاع في 28 أبريل 2018 ، من: byjus.com