11.18
Kuşak Teorisi
İki veya daha fazla atom bir molekül oluşturmak için bir araya geldiğinde, atomik orbitalleri birleşir ve farklı enerjilere sahip moleküler orbitaller…
Bant teorisi, moleküler yörünge teorisine benzer ve katılarda elektronik davranış için bir model sağlar. İki veya daha fazla atom bir molekül olmak için bir araya geldiğinde, atomik orbitallerinin ayrı enerji seviyelerinde moleküler orbitaller oluşturacak şekilde üst üste geldiğini hatırlayın. Moleküldeki atom sayısı arttıkça moleküler orbitallerin sayısı da artar.
Katılar tipik olarak son derece fazla sayıda atoma sahiptir, bu nedenle tüm katı, son derece fazla sayıda yakın aralıklı moleküler orbital ile temsil edilecektir. Sonuç olarak, moleküler orbital grupları, elektronların işgal edebileceği sürekli enerji aralıkları veya bantları olarak düşünülebilecek kadar yakın yerleştirilecektir. Moleküler orbitaller gibi, bu bantlar da enerji boşluklarıyla ayrılır.
Boşluklar çok genişse, elektronlar geçemez. Bakır gibi iletkenlerde değerlik elektronları, birçok boş yörüngeye sahip bir bant içindedir. Valans elektronları, orbitaller arasında kolayca hareket edebilir ve elektronların katı içinden serbestçe akmasına izin verir.
Bu mobil elektronlar, katının iyi elektriksel iletkenliğinden sorumludur. Yarı iletken ve yalıtkan modelleri iki bandı dikkate alır:değerlik bandı, temel durumda elektronları içeren en yüksek enerji bandıdır ve iletim bandı, değerlik bandının hemen üzerindeki banttır. Değerlik bandı, iletken bandın boş yörüngelerine ulaşamazlarsa, değerlik elektronlarının katı boyunca hareket etme kabiliyetini sınırlayan boş orbitallere sahiptir veya hiç yoktur.
Bu, değerlik ve iletim bantları arasında büyük bir enerji boşluğuna veya bant boşluğuna sahip cam gibi yalıtkanlarda görülen davranıştır. Bu nedenle yalıtkanlar zayıf elektriksel iletkenlik sergiler. Bant aralığı küçükse, değerlik elektronları iletim bandına uyarılabilir ve oradaki boş orbitaller arasında serbestçe hareket edebilir.
Uyarılmış elektronların geride bıraktığı boş orbitaller, elektronların değerlik bandı içinde hareket etmesini de kolaylaştırır. Bu, silikon gibi yarı iletkenlerde görülen, metallerden daha az iletken ancak yalıtkanlardan daha iletken olan davranıştır.
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.