ทฤษฎีวงเป็นสิ่งที่กำหนดโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของของแข็งโดยรวม สามารถใช้ได้กับของแข็งทุกประเภท แต่ในโลหะที่สะท้อนให้เห็นถึงความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ตามทฤษฎีนี้พันธะโลหะเป็นผลมาจากแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในคริสตัล
ดังนั้นผลึกโลหะจึงมี "ทะเลอิเล็กตรอน" ซึ่งสามารถอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพของมันได้ ภาพด้านล่างแสดงลิงค์โลหะ จุดสีม่วงของอิเล็กตรอนถูกจัดให้อยู่ในทะเลที่ล้อมรอบอะตอมของโลหะที่มีประจุบวก
"ทะเลอิเล็กตรอน" เกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของแต่ละอะตอมของโลหะ อินพุตเหล่านี้คือออร์บิทัลอะตอมของคุณ โครงสร้างโลหะโดยทั่วไปมีขนาดกะทัดรัด ยิ่งมีขนาดกะทัดรัดมากเท่าใดปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
ดังนั้นออร์บิทัลอะตอมของพวกมันจึงทับซ้อนกันเพื่อสร้างออร์บิทัลโมเลกุลที่แคบมากในพลังงาน จากนั้นทะเลอิเล็กตรอนก็ไม่มีอะไรมากไปกว่าออร์บิทัลโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีช่วงพลังงานต่างกัน ช่วงของพลังงานเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นสิ่งที่เรียกว่าแถบพลังงาน
แถบเหล่านี้มีอยู่ในบริเวณใด ๆ ของคริสตัลซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงถูกพิจารณาโดยรวมและจากนั้นคำจำกัดความของทฤษฎีนี้
แบบจำลองวงพลังงาน
เมื่อออร์บิทัลของอะตอมโลหะมีปฏิสัมพันธ์กับของเพื่อนบ้าน (N = 2) ออร์บิทัลของโมเลกุลสองตัวจะเกิดขึ้น: หนึ่งในพันธะ (แถบสีเขียว) และอีกอันหนึ่งของพันธะต่อต้าน (แถบสีแดงเข้ม)
ถ้า N = 3 ตอนนี้วงโคจรของโมเลกุลสามตัวจะถูกสร้างขึ้นซึ่งวงกลาง (แถบสีดำ) ไม่เป็นพันธะ ถ้า N = 4 วงโคจรสี่วงจะถูกสร้างขึ้นและวงที่มีอักขระที่มีพันธะมากที่สุดและวงที่มีอักขระต่อต้านพันธะมากที่สุดจะแยกออกจากกัน
ช่วงของพลังงานที่มีให้กับออร์บิทัลระดับโมเลกุลจะกว้างขึ้นเมื่ออะตอมของโลหะในคริสตัลมีส่วนช่วยในวงโคจรของพวกมัน นอกจากนี้ยังส่งผลให้ช่องว่างระหว่างวงโคจรลดลงจนถึงจุดที่รวมตัวกันเป็นวง
วงดนตรีนี้ประกอบด้วยวงโคจร s มีบริเวณที่มีพลังงานต่ำ (สีเขียวและสีเหลือง) และพลังงานสูง (สีส้มและสีแดง) พลังงานสุดขั้วมีความหนาแน่นต่ำ อย่างไรก็ตามในใจกลางออร์บิทัลโมเลกุลส่วนใหญ่มีความเข้มข้น (แถบสีขาว)
ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอน“ วิ่งเร็วกว่า” ผ่านศูนย์กลางของวงมากกว่าผ่านปลายของมัน
ระดับเฟอร์มิ
การนำไฟฟ้าประกอบด้วยการโยกย้ายอิเล็กตรอนจากวงวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า
หากช่องว่างของพลังงานระหว่างทั้งสองวงมีขนาดใหญ่มากแสดงว่าคุณมีของแข็งฉนวน (เช่นเดียวกับ B) ในทางกลับกันถ้าช่องว่างนี้ค่อนข้างเล็กของแข็งจะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ (ในกรณีของ C)
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอิเล็กตรอนในวงวาเลนซ์จะได้รับพลังงานเพียงพอที่จะโยกย้ายไปยังแถบการนำไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้า
อันที่จริงนี่คือคุณภาพของของแข็งหรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์: ที่อุณหภูมิห้องเป็นฉนวน แต่ที่อุณหภูมิสูงจะนำไฟฟ้าได้
เซมิคอนดักเตอร์ภายในและภายนอก
ตัวนำภายในคือตัวนำที่ช่องว่างพลังงานระหว่างวงวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้ามีขนาดเล็กพอสำหรับพลังงานความร้อนที่จะให้อิเล็กตรอนผ่านได้
ในทางกลับกันตัวนำภายนอกแสดงการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของพวกมันหลังจากการเติมสารเจือปนซึ่งจะเพิ่มการนำไฟฟ้า สิ่งเจือปนนี้อาจเป็นโลหะอื่นหรือองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะก็ได้
หากสิ่งเจือปนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนมากขึ้นก็สามารถให้วงผู้บริจาคที่ทำหน้าที่เป็นสะพานให้อิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ข้ามไปยังแถบการนำ ของแข็งเหล่านี้เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น ชื่อ n มาจาก "ลบ"
ในภาพบนแถบผู้บริจาคจะแสดงในบล็อกสีน้ำเงินด้านล่างแถบการนำไฟฟ้า (ประเภท n)
ในทางกลับกันถ้าสิ่งเจือปนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนน้อยกว่าจะมีแถบตัวรับซึ่งจะทำให้ช่องว่างพลังงานระหว่างวงวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าสั้นลง
อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เข้าหาแถบนี้เป็นครั้งแรกโดยทิ้ง“ หลุมบวก” ไว้เบื้องหลังซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม
เนื่องจากรูบวกเหล่านี้ทำเครื่องหมายทางผ่านของอิเล็กตรอนของแข็งหรือวัสดุจึงเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p
ตัวอย่างทฤษฎีวงดนตรีประยุกต์
- อธิบายว่าเหตุใดโลหะจึงมีความแวววาว: อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ของพวกมันสามารถดูดซับรังสีในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างเมื่อพวกมันกระโดดไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น จากนั้นพวกเขาก็เปล่งแสงกลับไปที่ระดับล่างของแถบการนำไฟฟ้า
- ซิลิคอนผลึกเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญที่สุด หากส่วนหนึ่งของซิลิกอนเจือด้วยร่องรอยขององค์ประกอบกลุ่ม 13 (B, Al, Ga, In, Tl) จะกลายเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p ในขณะที่ถ้าเจือด้วยองค์ประกอบของกลุ่ม 15 (N, P, As, Sb, Bi) จะกลายเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด n
- ไดโอดเปล่งแสง (LED) เป็นเซมิคอนดักเตอร์บอร์ด pn หมายความว่าอย่างไร? ว่าวัสดุนั้นมีสารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดทั้ง n และ p อิเล็กตรอนจะย้ายจากแถบการนำของสารกึ่งตัวนำชนิด n ไปยังแถบวาเลนซ์ของสารกึ่งตัวนำชนิด p
อ้างอิง
- Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, p 486-490
- ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์สี่., หน้า 103-107, 633-635). Mc Graw Hill
- Nave CR (2016). ทฤษฎีวงดนตรีของของแข็ง สืบค้นเมื่อ 28 เมษายน 2561 จาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Steve Kornic (2011) เปลี่ยนจากพันธบัตรเป็นวงดนตรีจากมุมมองของนักเคมี สืบค้นเมื่อ 28 เมษายน 2561 จาก: chembio.uoguelph.ca
- วิกิพีเดีย (2018) เซมิคอนดักเตอร์ภายนอก สืบค้นเมื่อ 28 เมษายน 2561 จาก: en.wikipedia.org
- BYJU'S. (2018) ทฤษฎีวงดนตรีของโลหะ สืบค้นเมื่อ 28 เมษายน 2561 จาก: byjus.com