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 wiążący o energii niższej,

-

orbital antywiążący o energii wyższej.

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.

wiążący, niewiążący i antywiążący.

4) Teraz rozpatrzmy sieć przestrzenną złożoną z N - atomów

→

→

→

→

opisuje je N orbitali cząsteczkowych.

Każdemu z tych orbitali odpowiada inny poziom energetyczny.

W rzeczywistości poziomy te są tak blisko, że 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 zbliżania się atomów sodu do odległości r

o

(odległość 2 węzłów) rozszczepieniu ulega

też 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 najniżej położone

- poziomy Fermiego.

9) W miarę podwyższania temperatury elektrony przechodzą

na coraz wyższe 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

Wyróżniamy 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