Теория зон и электрические свойства

Теория зон является важной концепцией в химии твердого тела и физике, которая помогает понять поведение электронов в твердых материалах, особенно металлов, полупроводников и изоляторов. Эта теория предоставляет основу для объяснения электрических свойств этих материалов на основе энергетических уровней, доступных электронам, и того, как эти энергетические уровни заселены.

Фундаментальные концепции

Атомные орбитали и молекулярные орбитали

На атомном уровне электроны орбитируют вокруг ядра в определенных областях, известных как атомные орбитали, которые характеризуются дискретными энергетическими уровнями. Когда атомы объединяются для формирования твердого тела, их атомные орбитали перекрываются, образуя молекулярные орбитали, которые простираются на большое количество атомов.

По мере увеличения числа атомов увеличивается и количество молекулярных орбиталей, которые очень близки по энергии. В твердых телах с очень большим числом атомов (обычно порядка числа Авогадро) эти молекулярные орбитали образуют непрерывные энергетические зоны. Эти зоны находятся в центре внимания теории зон.

Энергетические зоны

В твердых телах энергетические зоны образуются за счет многочисленных молекулярных орбиталей. Эти зоны могут вмещать электроны, и наиболее важными из них, связанными с электрическими свойствами, являются валентная зона и зона проводимости.

Валентная зона: Это энергетическая зона, содержащая валентные электроны. Эти электроны отвечают за химические свойства вещества.

Зона проводимости: Это энергетическая зона, где электроны могут свободно перемещаться по материалу, способствуя электрической проводимости.

Классификация твердых тел

На основе теории зон твердые тела могут быть классифицированы как проводники, полупроводники и изоляторы в зависимости от относительного положения валентной зоны и зоны проводимости.

Проводник

В проводниках, таких как металлы, валентная зона и зона проводимости перекрываются, или зона проводимости частично заполнена даже при абсолютном нуле температуры (0 K). Это означает, что электроны могут легко перемещаться из валентной зоны в зону проводимости, что обеспечивает высокую электрическую проводимость.

Энергия ^ Зона проводимости Перекрытие валентной зоны

Изолятор

У изоляторов есть большой энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Этот энергетический зазор, который обычно превышает 3 эВ, означает, что электроны не могут легко перемещаться из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к низкой электрической проводимости.

Энергия ^ Зона проводимости Большой энергетический зазор Валентная зона

Полупроводники

Полупроводники имеют меньший энергетический зазор, чем изоляторы, обычно менее 3 эВ. Тепловая энергия при комнатной температуре может возбуждать электроны из валентной зоны в зону проводимости, обеспечивая умеренную проводимость, которую легко можно контролировать внешними факторами, такими как температура, свет или легирование.

Энергия ^ Зона проводимости Малый энергетический зазор Валентная зона

Энергетический зазор и электрическая проводимость

Характер энергетического зазора играет фундаментальную роль в определении электрических свойств материала. Давайте обсудим это подробнее с примерами:

Зависимость от температуры

Электрическая проводимость полупроводников и изоляторов сильно зависит от температуры. С увеличением температуры большее количество электронов возбуждается из валентной зоны в зону проводимости, увеличивая проводимость. Однако у металлов наблюдается снижение проводимости с увеличением температуры из-за увеличенного рассеяния электронов на фононах.

Легирование полупроводников

Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводник для изменения его электрических свойств. Существует два основных типа легирования:

• N-типа: Это включает добавление элементов с большим количеством валентных электронов, чем у основного материала, что позволяет большему количеству электронов попасть в зону проводимости. Например, элементы, такие как фосфор в кремнии.
• P-типа: Это включает добавление элементов с меньшим количеством валентных электронов, создавая дырки в валентной зоне, где могут двигаться электроны, таким образом способствуя проводимости. Пример — элементы, такие как бор в кремнии.

Эффективная масса и маневренность

Эффективная масса электрона в твердом материале влияет на то, как легко электрон может быть ускорен электрическим полем. Электронная подвижность, которая определяет скорость дрейфа на единицу электрического поля, прямо зависит от эффективной массы и процессов рассеяния в материале.

Применение теории зон

Проектирование полупроводниковых устройств

Понимание теории зон имеет ключевое значение для проектирования и оптимизации полупроводниковых устройств, таких как диоды, транзисторы и интегральные схемы. Путем управления шириной энергетического зазора через выбор материала и легирование можно изготовить определенные электрические свойства.

Фотовольтаические элементы

Солнечные элементы преобразуют световую энергию в электрическую посредством фотовольтаического эффекта. Когда фотоны с энергией, превышающей энергетический зазор, попадают на материал полупроводника, образуются пары электрон-дырка, которые способствуют потоку тока при подключении к внешней цепи.

Светодиоды (LEDs)

Светодиоды работают на принципе рекомбинации энергетического зазора. Когда электроны из зоны проводимости рекомбинируют с дырками в валентной зоне, энергия высвобождается в виде света. Цвет излучаемого света зависит от энергетического зазора материала, используемого для создания LED.

Заключение

Теория зон предоставляет объединяющую основу для понимания электрических свойств материалов, начиная от проводников и заканчивая изоляторами. Анализируя энергетические зоны и зазоры, химики и физики могут прогнозировать и настраивать поведение электронов в твердых телах, что приводит к разнообразным приложениям в технологии и материаловедении. По мере продолжения исследований, границы того, что можно достичь с помощью зонирования и проектирования материалов, постоянно расширяются.

Комментарии