11.18
عندما تتحد ذرتان أو أكثر معًا لتكوين جزيء، تتحد مداراتها الذرية وينتج عنها مدارات جزيئية ذات طاقات متميزة. في المادة الصلبة، يوجد عدد كبير من الذرات،…
نظرية باند،تشبه نظرية المدارات الجزيئية،وتقدم نموذجًا للسلوك الإلكتروني في المواد الصلبة. تذكروا أنه عندما تجتمع ذرتان ليشكلا جزيئًا،فإن مداراتهما الذرية تتداخل لتشكل مدارات ذرية جزيئية ذات مستويات طاقة منفصلة. مع ازدياد عدد الذرات في الجزيء،يزداد كذلك عدد المدارات الذرية الجزيئية.
تحتوي المواد الصلبة عادة على عدد أكبر بكثير من الذرات،وبالتالي يكون تمثيل المادة الصلبة بعدد كبير جدًا من المدارات الذرية القريبة من بعضها البعض. نتيجة لذلك،فإن مجموعات المدارات الذرية ستكون قريبة من بعضها البعض لدرجة أن يُعتقد أنها متواصلة من حيث مدي،ونطاق الطاقة التي يمكن للإلكترونات أن تشغلها. ومثل المدارات الذرية،هذه النطاقات تفصل بينها فجوات الطاقة.
إذا كانت الفجوات أوسع مما ينبغي،فلن تستطيع الإلكترونات اجتيازها. في الموصلات مثل النحاس،تكون إلكترونات التكافؤ في نطاق يحتوي كذلك على العديد من المدارات الفارغة. تستطيع إلكترونات التكافؤ أن تتحرك بسرعة بين المدارات،ما يسمح للإلكترونات بالتدفق بحرية داخل المادة الصلبة.
هذه الإلكترونات المتحركة هي التي تجعل المادة الصلبة موصلًا جيدًا للكهرباء. نماذج أشباه الموصلات أو الأجسام العازلة تأخذ في الاعتبار نطاقين:نطاق التكافؤ،وهو أعلى نطاق للطاقة يحتوي على إلكترونات في الحالة الاساسية،ثم نطاق التوصيل وهو النطاق الذي فوق نطاق التكافؤ مباشرة. يحتوي نطاق التكافؤ على عدد قليل أو قد يخلو تمامًا من المدارات الفارغة،مما يحد من قدرة إلكترونات التكافؤ على الحركة داخل المادة الصلبة،إذا لم تستطع الوصول إلى المدارات الفارغة في نطاق التوصيل.
وهذا هو السلوك الذي يشاهد في المواد العازلة كالزجاج،الذي يحتوي على فجوة طاقة كبيرة،أو فجوة نطاق،بين نطاقي التكافؤ والتوصيل. لذا فالمواد العازلة لا توصل الكهرباء إلّا بمقدار ضئيل جدًا. إذا كانت الفجوة في النطاق صغيرة،فإن إلكترونات التكافؤ يمكن تحفيزها نحو نطاق التوصيل،فتتحرك بحرية ما بين المدارات الفارغة هناك.
المدارات الفارغة،التي تركتها الإلكترونات المحفزة خلفها،تسهل حركة الإلكترونات كذلك ضمن نطاق التكافؤ. وهذا السلوك يشاهد في أشباه الموصلات مثل السيلكون،التي توصل الكهرباء أقل من الفلزات لكنها موصلة أكثر من المواد العازلة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How does band theory explain electronic behavior in solids?
Band theory models how electrons behave in solids by extending molecular orbital theory. When many atoms combine in a solid, their atomic orbitals overlap to form an enormous number of closely spaced molecular orbitals. These orbitals group together into continuous energy ranges called bands, separated by energy gaps. This framework explains why different solids conduct electricity differently based on their band structure and electron distribution.
Q2: Why do conductors like copper have high electrical conductivity?
In conductors such as copper, valence electrons occupy a band containing many empty orbitals. Electrons can readily move between these orbitals with minimal energy, allowing them to flow freely through the solid. These mobile valence electrons are responsible for the excellent electrical conductivity observed in metallic conductors, making them ideal for transmitting electrical current.
Q3: What is the difference between the valence band and conduction band?
The valence band is the highest-energy band containing electrons in the ground state, with few to no empty orbitals. The conduction band sits just above it and contains empty orbitals. Electrons must cross the energy gap between these bands to move freely through the solid. The size of this band gap determines whether a material conducts electricity easily or poorly.
Q4: How does band gap size affect electrical conductivity in insulators and semiconductors?
Insulators have a large band gap between valence and conduction bands, making it extremely difficult for electrons to jump across and conduct electricity, resulting in poor conductivity. Semiconductors have a smaller band gap, allowing valence electrons to reach the conduction band when moderate energy is supplied. This makes semiconductors more conductive than insulators but less conductive than metals.
Q5: What happens to electrons when they are excited to the conduction band in semiconductors?
When valence electrons in semiconductors are excited to the conduction band, they can move freely between empty orbitals there. Additionally, the empty orbitals they leave behind in the valence band facilitate electron movement within that band. This dual effect increases the overall electrical conductivity of the semiconductor, enabling it to conduct electricity under appropriate energy conditions.
Q6: How does the number of atoms in a solid affect its band structure?
As the number of atoms in a solid increases, the number of molecular orbitals increases proportionally. In solids with an exceedingly large number of atoms, these orbitals become so closely spaced that they form continuous energy ranges called bands rather than discrete energy levels. This transformation from discrete molecular orbitals to continuous bands is fundamental to understanding electronic properties of bulk solids.
Q7: Why do insulators like glass exhibit poor electrical conductivity?
Glass and other insulators have a large energy gap, or band gap, between the valence and conduction bands. This wide gap prevents valence electrons from easily crossing to the conduction band where they could move freely. Without accessible empty orbitals in the conduction band, electrons remain localized and cannot flow through the material, resulting in poor electrical conductivity.