Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
1/9
Wykład 5.
TEORIA PASMOWA CIAŁA STAŁEGO
METALE, PÓŁPRZEWODNIKI i DIELEKTRYKI
1) Rozpatrzmy strukturę elektronową typowego metalu, to
jest sodu.
Jest to metal którego atomy posiadają tylko 1 elektron
walencyjny
→
→
→
→
znajduje się on na orbitalu 3s.
2) Teraz rozpatrzmy sieć przestrzenną zbudowaną z dwóch
atomów. Następuje nakładanie się zewnętrznych orbitali 3s,
a w wyniku powstają dwa orbitale cząsteczkowe:
-
orbital wiąŜący o energii niŜszej,
-
orbital antywiąŜący o energii wyŜszej.
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
2/9
3) Dla 3 atomów pojawiają się 3 orbitale cząsteczkowe, tj.
wiąŜący, niewiąŜący i antywiąŜący.
4) Teraz rozpatrzmy sieć przestrzenną złoŜoną z N - atomów
→
→
→
→
opisuje je N orbitali cząsteczkowych.
KaŜdemu z tych orbitali odpowiada inny poziom energetyczny.
W rzeczywistości poziomy te są tak blisko, Ŝe tworzą ciągłe
pasmo stanów energetycznych
odległości tych poziomów są rzędu 10
-22
eV tj. 10
-41
J
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
3/9
Takie pasmo energetyczne jest tylko w połowie zapełnione
elektronami.
5) Co się dzieje z orbitalami 3p?
W miarę zbliŜania się atomów sodu do odległości r
o
(odległość 2 węzłów) rozszczepieniu ulega
teŜ zdegenerowany poziom energetyczny 3p.
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
4/9
6) Pasma 3s i 3p tworzą jedno wspólne pasmo. Tak więc
łączna liczba zdelokalizowanych orbitali wynosi 4 N dla
N - atomów. Mogą one pomieścić 8 N - elektronów.
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
5/9
7) Tak więc powstało szerokie pasmo tylko częściowo
wypełnione elektronami
→
→
→
→
jest to charakterystyczne dla
metali.
8) W temp. 0 K zajęte są tylko poziomy najniŜej połoŜone
- poziomy Fermiego.
9) W miarę podwyŜszania temperatury elektrony przechodzą
na coraz wyŜsze poziomy.
10) Takie rozszczepienie poziomów energetycznych zachodzi
nie tylko w metalach. Ale w kryształach nie wykazujących
właściwości metalicznych, pasma energetyczne nie zachodzą
na siebie.
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
6/9
WyróŜniamy tutaj :
Izolatory
- diament, kwarc (SiO
2
), tlenek magnezu (MgO) Pasmo
wzbronione 5 - 10 eV
→
→
→
→
przewodnictwo elektryczne w bardzo
wysokiej temperaturze lub pod wpływem bardzo wysokiego
napięcia elektrycznego.
podstawowe
pasma przewodnictwa
wzbronione
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
7/9
Półprzewodniki
- np. german (sieć typu diamentu)
- Pasmo wzbronione 1 - 2 eV
I
- Przemieszczanie się dziury
elektronowej i swobodnego
elektronu – przewodnictwo samoistne.
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
8/9
Przewodnictwo typu n
Przewodnictwo typu p
Domieszka arsenu
→
→
→
→
nadmiar jednego elektronu
→
→
→
→
centrum
donorowe
→
→
→
→
przewodnictwo typu n
Domieszka boru
→
→
→
→
niedobór jednego elektronu dziura elektronowa
→
→
→
→
centrum akceptorowe
→
→
→
→
przewodnictwo typu p
Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w
Wykład 5. Teoria Pasmowa Ciała Stałego
9/9
Półprzewodnik Półprzewodnik
typu n typu p
Koniec rozdziału V
pasmo
przewodnictwa
Centrum
akceptorowe
pasmo
podstawowe
Centrum
donorowe