11.18: Теория полос

Когда два или более атомов объединяются, образуя молекулу, их атомные орбитали объединяются и получаются молекулярные орбитали различных энергий. В твердом виде существует большое количество атомов, и поэтому большое количество атомных орбиталей, которые могут быть объединены в молекулярные орбитали. Эти группы молекулярных орбиталей настолько тесно связаны друг с другом, чтобы сформировать непрерывные области энергий, известные как полосы.

Разница в энергопотреблении между этими диапазонами называется разницей частот.

Проводник, полупроводник и изоляторы

Для проведения электричества, валентные электроны должны пересекать орбитальные частицы различных энергий, чтобы двигаться по всему массиву. Это определяется зазором ленты. Электроны валентности в проводниках занимают полосу, в которой много пустых орбиталей. Таким образом, для перемещения электронов к этим пустым орбитам требуется лишь небольшое количество энергии. Эта небольшая разница в энергопотреблении “легко” преодолеть, так что они являются хорошими проводниками электричества. Полупроводники и изоляторы наблюдают за двумя типами полос — валентной полосой, с немногими до непустыми орбиталями, и полосой проводимости, с пустыми орбиталями. Разница в энергии или разрыв полосы между полосой валентности и полосой проводимости определяет легкость, с которой могут двигаться электроны. В изоляторах полоса пропускания настолько “велика”, что очень мало электронов может достичь пустых орбиталей полосы проводимости; в результате изоляторы являются плохими проводниками электричества. Полупроводники, с другой стороны, имеют сравнительно небольшие разрывы в полосе частот. В результате, они могут проводить электричество, когда “умеренные” количества энергии предоставляются для того, чтобы переместить электроны из заполненных орбит диапазона валентности и в пустые орбита полосы проводимости. Таким образом, полупроводники лучше изоляторов, но не так эффективны, как проводники с точки зрения электропроводности.

Этот текст был адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 8.4 молекулярная орбитальная теория.

Зонная теория похожа на теорию молекулярных орбиталей и обеспечивает модель электронного поведения в твердых телах. Напомним, что когда два или более атома объединяются в молекулу, их атомные орбитали перекрываются, образуя молекулярные орбитали дискретных уровней энергии. По мере того, как количество атомов в молекуле увеличивается, увеличивается и количество молекулярных орбиталей.

Твердые тела обычно имеют чрезвычайно большое количество атомов, поэтому все твердое тело будет представлено чрезвычайно большим количеством близко расположенных молекулярных орбиталей. В результате группы молекулярных орбиталей будут расположены настолько близко друг к другу, что их можно будет рассматривать как непрерывные диапазоны или полосы энергии, которые могут занимать электроны. Как и молекулярные орбитали, эти полосы разделены энергетическими щелями.

Если промежутки слишком велики, электроны не могут их пересечь. В таких проводниках, как медь, валентные электроны находятся в зоне, которая также имеет множество пустых орбиталей. Валентные электроны могут легко перемещаться между орбиталями, позволяя электронам свободно проходить через твердое тело.

Эти подвижные электроны ответственны за хорошую электропроводность твердого тела. В моделях полупроводников и диэлектриков рассматриваются две зоны:валентная зона, которая представляет собой зону с самой высокой энергией, которая содержит электроны в основном состоянии, и зону проводимости, которая представляет собой зону, расположенную непосредственно над валентной зоной. Валентная зона практически не имеет пустых орбиталей, что ограничивает способность валентных электронов перемещаться через твердое тело, если они не могут достичь пустых орбиталей зоны проводимости.

Такое поведение наблюдается в диэлектриках, таких как стекло, которые имеют большую запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости. Поэтому диэлектрики обладают плохой электропроводностью. Если ширина запрещенной зоны мала, валентные электроны могут быть возбуждены в зону проводимости и свободно перемещаться между пустыми орбиталями там.

Пустые орбитали, которые оставляют возбужденные электроны, также облегчают электронам движение в валентной зоне. Такое поведение наблюдается в полупроводниках, таких как кремний, которые менее проводимы, чем металлы, но более проводимы, чем диэлектрики.