밴드 이론 : 모델 및 예 - 화학

밴드 이론 은 고체 전체의 전자 구조를 정의하는 이론 입니다. 모든 유형의 고체에 적용될 수 있지만 가장 큰 성공이 반영되는 금속에 있습니다. 이 이론에 따르면 금속 결합은 양으로 하전 된 이온과 결정의 이동 전자 사이의 정전 기적 인력으로 인해 발생합니다.

따라서 금속 결정은 물리적 특성을 설명 할 수있는 "전자의 바다"를 가지고 있습니다. 아래 이미지는 금속 링크를 보여줍니다. 전자의 보라색 점은 양전하를 띤 금속 원자를 둘러싸고있는 바다에서 비편 재화됩니다.

"전자의 바다"는 각 금속 원자의 개별적인 기여로 형성됩니다. 이러한 입력은 원자 궤도입니다. 금속 구조는 일반적으로 콤팩트합니다. 더 조밀할수록 원자 사이의 상호 작용이 더 커집니다.

결과적으로 원자 궤도가 겹쳐져 에너지에서 매우 좁은 분자 궤도를 생성합니다. 그러면 전자 바다는 에너지 범위가 다른 큰 분자 궤도 집합에 지나지 않습니다. 이러한 에너지의 범위는 에너지 밴드로 알려진 것을 구성합니다.

이 밴드는 크리스탈의 모든 영역에 존재하기 때문에 전체적으로 간주되며이 이론의 정의가 나옵니다.

에너지 밴드 모델

금속 원자의 s 궤도가 이웃 (N = 2)의 궤도와 상호 작용할 때 두 개의 분자 궤도가 형성됩니다. 하나는 결합 (녹색 띠)이고 다른 하나는 결합 방지 (짙은 빨간색 띠)입니다.

N = 3이면 이제 3 개의 분자 궤도가 형성되며 그 중 중간 궤도 (검은 색 띠)는 비 결합입니다. N = 4이면 4 개의 궤도가 형성되고 가장 큰 결합 특성을 가진 것과 가장 큰 결합 방지 특성을 가진 궤도가 더 분리됩니다.

분자 궤도에 사용할 수있는 에너지의 범위는 결정의 금속 원자가 궤도에 기여함에 따라 넓어집니다. 이것은 또한 궤도 사이의 에너지 공간을 감소 시켜서 그들이 밴드로 응축되는 지점까지 초래합니다.

s 오비탈로 구성된이 밴드는 저에너지 (녹색과 노란색) 및 고 에너지 (주황과 빨간색) 영역을 가지고 있습니다. 극단 에너지는 밀도가 낮습니다. 그러나 대부분의 분자 궤도는 중앙에 집중되어 있습니다 (흰색 띠).

이것은 전자가 밴드의 끝을 통과하는 것보다 밴드의 중심을 통과하는 속도가 더 빠르다는 것을 의미합니다.

전기 전도도는 가전 자대에서 전도대로의 전자 이동으로 구성됩니다.

두 밴드 사이의 에너지 갭이 매우 크면 절연 고체입니다 (B와 마찬가지로). 반면,이 간격이 상대적으로 작 으면 고체는 반도체 (C의 경우)입니다.

온도가 상승하면 가전 자대의 전자는 전도대쪽으로 이동하기에 충분한 에너지를 획득합니다. 이로 인해 전류가 발생합니다.

사실, 이것은 고체 또는 반도체 재료의 품질입니다. 실온에서는 절연되지만 고온에서는 전도성입니다.

고유 전도체는 가전 자대와 전도대 사이의 에너지 갭이 열 에너지가 전자를 통과 할 수있을만큼 충분히 작은 전도체입니다.

반면에, 외부 전도체는 불순물로 도핑 한 후 전자 구조의 변화를 나타내어 전기 전도도를 증가시킵니다. 이 불순물은 다른 금속 또는 비금속 원소 일 수 있습니다.

불순물에 원자가 전자가 더 많으면 원자가 밴드의 전자가 전도대로 교차하는 다리 역할을하는 도너 밴드를 제공 할 수 있습니다. 이 고체는 n 형 반도체입니다. 여기서 n이라는 이름은 "음수"에서 유래되었습니다.

위쪽 이미지에서 도너 밴드는 전도대 (유형 n) 바로 아래의 파란색 블록으로 표시됩니다.

반면에 불순물이 원자가 전자가 적 으면 원자가 밴드와 전도대 사이의 에너지 갭을 줄이는 수용체 밴드를 제공합니다.

전자는 먼저이 밴드쪽으로 이동하여 반대 방향으로 움직이는 "양의 구멍"을 남깁니다.

이 양의 정공은 전자의 통과를 표시하기 때문에 고체 또는 물질은 p 형 반도체입니다.

-금속이 반짝이는 이유를 설명하십시오. 움직이는 전자는 더 높은 에너지 레벨로 점프 할 때 광범위한 파장의 방사선을 흡수 할 수 있습니다. 그런 다음 빛을 방출하여 전도대의 낮은 수준으로 돌아갑니다.

-결정질 실리콘은 가장 중요한 반도체 재료입니다. 실리콘의 일부가 13 족 원소 (B, Al, Ga, In, Tl)의 흔적으로 도핑되면 p 형 반도체가됩니다. 15 족 원소 (N, P, As, Sb, Bi)로 도핑되면 n 형 반도체가됩니다.

-발광 다이오드 (LED)는 pn 기판 반도체입니다. 무슨 뜻인가요? 재료에는 n과 p의 두 가지 유형의 반도체가 있습니다. 전자는 n 형 반도체의 전도대에서 p 형 반도체의 가전 자대로 이동합니다.

Whitten, Davis, Peck & Stanley. 화학. (8 판). CENGAGE Learning, p 486-490.
Shiver & Atkins. (2008). 무기 화학. (제 4 판., Pp. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
Nave CR (2016). 고체의 밴드 이론. 2018 년 4 월 28 일에 검색 됨 : hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
스티브 코닉. (2011). 화학자의 관점에서 본드에서 밴드로 이동. 2018 년 4 월 28 일 검색 : chembio.uoguelph.ca
Wikipedia. (2018). 외부 반도체. 2018 년 4 월 28 일 검색 : en.wikipedia.org
BYJU 'S. (2018). 금속 밴드 이론. 2018 년 4 월 28 일 검색 : byjus.com