ทฤษฎีวง: แบบจำลองและตัวอย่าง

ทฤษฎี วงดนตรีเป็นสิ่งหนึ่งที่กำหนดโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของของแข็งโดยรวม สามารถใช้ได้กับของแข็งทุกชนิด แต่อยู่ในโลหะที่สะท้อนความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ตามทฤษฎีนี้พันธะโลหะเป็นผลมาจากการดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในคริสตัล

ดังนั้นคริสตัลโลหะมี "ทะเลอิเล็กตรอน" ซึ่งสามารถอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพของมัน รูปภาพด้านล่างแสดงลิงค์โลหะ จุดสีม่วงของอิเล็กตรอนจะถูกแยกออกในทะเลที่ล้อมรอบอะตอมโลหะที่มีประจุบวก

"ทะเลอิเล็กตรอน" เกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของแต่ละอะตอมของโลหะ ผลงานเหล่านี้เป็นวงโคจรของอะตอม โครงสร้างโลหะโดยทั่วไปมีขนาดกะทัดรัด; ยิ่งมีขนาดกะทัดรัดก็จะยิ่งมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมมากขึ้น

เป็นผลให้วงโคจรอะตอมของพวกเขาซ้อนทับกันเพื่อสร้างวงโคจรโมเลกุลที่แคบมากในพลังงาน ทะเลอิเลคตรอนจึงเป็นเพียงชุดโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีช่วงพลังงานต่างกัน ช่วงของพลังงานเหล่านี้ประกอบไปด้วยสิ่งที่เรียกว่าแถบพลังงาน

วงดนตรีเหล่านี้มีอยู่ในทุกภูมิภาคของคริสตัลเหตุผลว่าทำไมมันจึงถือว่าเป็นภาพรวมและด้วยเหตุนี้ความหมายของทฤษฎีนี้

แบบจำลองแถบพลังงาน

เมื่อการโคจรของอะตอมโลหะมีปฏิสัมพันธ์กับเพื่อนบ้าน (N = 2) จะมีวงโคจรโมเลกุลสองวงเกิดขึ้นหนึ่งอันคือพันธะ (แถบสีเขียว) และอีกอันหนึ่งของวงเชื่อมโยง (แถบสีแดงเข้ม)

ถ้า N = 3 จะมีวงโคจรของโมเลกุลสามวงก่อตัวขึ้นซึ่งจุดกึ่งกลาง (แถบสีดำ) นั้นไม่มีการผูกมัด ถ้า N = 4 จะมีวงโคจรสี่วงเกิดขึ้นและอีกวงหนึ่งที่มีตัวละครที่มีผลผูกพันมากที่สุดและอีกกลุ่มที่มีตัวละครต่อต้านการแช่แข็งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะถูกแยกออกจากกัน

ช่วงของพลังงานที่มีสำหรับวงโคจรของโมเลกุลกำลังขยายตัวเมื่ออะตอมโลหะของคริสตัลให้วงโคจรของพวกมัน สิ่งนี้ยังส่งผลให้พื้นที่พลังงานระหว่าง orbitals ลดลงจนถึงจุดที่พวกมันควบแน่นเป็นวง

วงนี้ประกอบด้วยวงโคจรมีพื้นที่ของพลังงานต่ำ (ของสีเขียวและสีเหลือง) และพลังงานสูง (ของสีส้มและสีแดง) สุดขั้วที่มีพลังของพวกเขามีความหนาแน่นต่ำ อย่างไรก็ตามส่วนใหญ่ของโมเลกุล orbitals (แถบสีขาว) มีความเข้มข้นในศูนย์

ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอน "วิ่งเร็ว" ผ่านจุดศูนย์กลางของวงดนตรีมากกว่าที่ปลาย

ระดับแฟร์

มันเป็นสถานะพลังงานสูงสุดที่ถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนในของแข็งที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (T = 0 K)

เมื่อวงดนตรีถูกสร้างขึ้นอิเล็กตรอนจะเริ่มครอบครองวงโคจรโมเลกุลของพวกเขาทั้งหมด หากโลหะมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์เดียว (s1) อิเล็กตรอนทั้งหมดในคริสตัลจะยึดครึ่งวงไว้

อีกครึ่งหนึ่งที่ว่างจะเรียกว่าวงขับขณะที่วงดนตรีที่เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนเรียกว่าวงวาเลนซ์

ในภาพด้านบน A หมายถึงวงเวเลนซ์ทั่วไป (สีน้ำเงิน) และวงคอนดักเตอร์ (สีขาว) สำหรับโลหะ เส้นขอบสีน้ำเงินแสดงถึงระดับ Fermi

เนื่องจากโลหะมี p-orbitals พวกมันจึงรวมกันในลักษณะเดียวกันเพื่อผลิต p-band (สีขาว)

ในกรณีของโลหะแถบ syp นั้นมีพลังงานใกล้เคียงกันมาก วิธีนี้ช่วยให้การทับซ้อนของพวกเขาส่งเสริมอิเล็กตรอนจากวงจุเพื่อวงการนำ อุณหภูมิสูงกว่า 0 เคเล็กน้อย

สำหรับโลหะทรานซิชันและจากช่วงเวลา 4 ลงไปการสร้างวงดนตรี d ก็เป็นไปได้เช่นกัน

ระดับแฟร์มีต่อการนำความร้อนเป็นสิ่งสำคัญมากในการกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้า

ตัวอย่างเช่นโลหะ Z ที่มีระดับ Fermi ใกล้กับแถบการนำไฟฟ้า (แถบว่างเปล่าที่อยู่ใกล้ที่สุดในพลังงาน) มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าโลหะ X ซึ่งระดับ Fermi อยู่ไกลจากแถบนั้น

อุปกรณ์กึ่งตัวนำ

การนำไฟฟ้านั้นประกอบไปด้วยการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังวงการนำไฟฟ้า

หากช่องว่างพลังงานระหว่างแถบทั้งสองมีขนาดใหญ่มากเราจะมีฉนวนที่เป็นฉนวน (เช่นเดียวกับ B) ในทางตรงกันข้ามถ้าช่องว่างนี้มีขนาดค่อนข้างเล็กของแข็งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ (ในกรณีของ C)

เมื่อเผชิญหน้ากับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์จะได้รับพลังงานเพียงพอที่จะย้ายไปยังแถบการนำไฟฟ้า ส่งผลให้กระแสไฟฟ้า

อันที่จริงนี่คือคุณภาพของของแข็งหรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์: ที่อุณหภูมิห้องพวกเขาเป็นฉนวน แต่ที่อุณหภูมิสูงพวกเขาเป็นตัวนำ

เซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริงและภายนอก

ตัวนำที่แท้จริงคือตัวนำที่ช่องว่างพลังงานระหว่างวงวาเลนซ์กับวงการนำไฟฟ้ามีขนาดเล็กพอที่พลังงานความร้อนจะช่วยให้อิเล็กตรอนผ่านได้

ในทางกลับกันตัวนำภายนอกแสดงการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของพวกเขาหลังจากยาสลบด้วยสิ่งสกปรกซึ่งเพิ่มการนำไฟฟ้าของพวกเขา สิ่งเจือปนนี้อาจเป็นโลหะอื่นหรือองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะ

หากสิ่งเจือปนมีอิเล็กตรอนที่มีความจุมากกว่าก็สามารถให้แถบผู้บริจาคที่ทำหน้าที่เป็นสะพานสำหรับอิเล็กตรอนของวงเวเลนซ์ที่จะข้ามเข้าไปในแถบการนำความร้อน ของแข็งเหล่านี้เป็นสารกึ่งตัวนำชนิด n ที่นี่นิกาย n มาจาก "ลบ"

ในภาพด้านบนจะมีแถบสีเงินแสดงอยู่ในบล็อกสีน้ำเงินด้านล่างแถบขับขี่ (ประเภท n)

ในทางตรงกันข้ามถ้าสิ่งเจือปนมีอิเลคตรอนวาเลนซ์น้อยก็จะให้แถบรับซึ่งทำให้ช่องว่างพลังงานระหว่างวงวาเลนซ์กับวงการนำสั้นลง

อิเล็กตรอนจะย้ายไปยังแถบนี้ก่อนโดยทิ้ง "หลุมบวก" ซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม

เมื่อหลุมบวกเหล่านี้ทำเครื่องหมายเส้นทางของอิเล็กตรอนของแข็งหรือวัสดุจึงเป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p

ตัวอย่างของทฤษฎีวงดนตรีประยุกต์

- อธิบายว่าทำไมโลหะถึงสว่าง: อิเล็กตรอนเคลื่อนที่สามารถดูดซับรังสีในช่วงความยาวคลื่นที่หลากหลายเมื่อพวกมันกระโดดขึ้นไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น จากนั้นพวกเขาก็ปล่อยแสงกลับไปที่ระดับล่างของวงขับ

- ผลึกซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญที่สุด หากส่วนหนึ่งของซิลิกอนถูกเจือด้วยร่องรอยของธาตุ 13 กลุ่ม (B, Al, Ga, In, Tl) มันจะกลายเป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p โดยที่ถ้ามันเจือด้วยองค์ประกอบของกลุ่ม 15 (N, P, As, Sb, Bi) มันจะกลายเป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n

- ไดโอดเปล่งแสง (LED) เป็นสารกึ่งตัวนำ pn คุณหมายถึงอะไร วัสดุนั้นมีเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสองประเภททั้ง n และ p อิเล็กตรอนจะถูกย้ายจากวงนำของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n ไปยังวงเวเลนซ์ของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p