TEORIJA PASOV: MODEL IN PRIMERI - KEMIJA - 2026

Teorija pasov je tista, ki definira elektronsko strukturo trdne snovi kot celote. Nanesemo ga lahko na katero koli vrsto trdnih snovi, vendar se v kovinah kažejo njegovi največji uspehi. Po tej teoriji je kovinska vez posledica elektrostatične privlačnosti med pozitivno nabiti ioni in mobilnimi elektroni v kristalu.

Zato ima kovinski kristal "morje elektronov", kar lahko razloži njegove fizikalne lastnosti. Spodnja slika ponazarja kovinsko vez. Vijolične pike elektronov se delokalizirajo v morju, ki obkroža pozitivno nabiti kovinski atomi.

"Morje elektronov" se oblikuje iz posameznih prispevkov vsakega kovinskega atoma. Ti vhodi so vaše atomske orbite. Kovinske konstrukcije so na splošno kompaktne; bolj kompaktni so, večje so interakcije med njihovimi atomi.

Posledično se njihove atomske orbite prekrivajo, da ustvarijo zelo ozke molekularne orbitale v energiji. Morje elektronov potem ni nič drugega kot velik nabor molekulskih orbital z različnimi razponi energij. Obseg teh energij sestavljajo tako imenovani energijski pasovi.

Ti pasovi so prisotni v katerem koli območju kristala, zato ga obravnavamo kot celoto in od tod izhaja definicija te teorije.

Model energijskega pasu

Ko s orbitala kovinskega atoma vzajemno deluje s sosedo (N = 2), se tvorita dve molekularni orbitali: ena od vezi (zeleni pas) in druga proti vezanju (temno rdeči pas).

Če je N = 3, so zdaj oblikovane tri molekularne orbitale, od katerih je srednja (črni pas) brez vezave. Če je N = 4, se tvorijo štiri orbitale in ena z največjim veznim značajem in tista z največjim protitvezitnim znakom se še ločijo.

Obseg energije, ki je na voljo molekularnim orbitam, se širi, ko kovinski atomi v kristalu prispevajo svoje orbitale. Posledica tega je tudi zmanjšanje energijskega prostora med orbitalami do te mere, da se kondenzirajo v pas.

Ta pas, sestavljen iz s orbitale, ima območja z nizko energijo (barvno zeleno in rumeno) in visoko energijo (barvno oranžno in rdečo). Njeni energetski ekstremi imajo nizko gostoto; vendar je v središču koncentrirana večina molekulskih orbital (beli pas).

To pomeni, da elektroni "tečejo hitreje" skozi sredino pasu kot skozi njegove konce.

Fermi nivo

Električna prevodnost je sestavljena iz migracije elektronov iz valenčnega pasu v prevodni pas.

Če je energijska vrzel med obema pasovima zelo velika, imate izolacijsko trdno snov (kot pri B). Če je ta vrzel sorazmerno majhna, je trden polprevodnik (v primeru C).

Ko se temperatura zviša, elektroni v valenčnem pasu pridobijo dovolj energije, da se migrirajo proti prevodnemu pasu. Posledica tega je električni tok.

V resnici gre za kakovost trdnih snovi ali polprevodniških materialov: pri sobni temperaturi so izolacijski, pri visokih temperaturah pa prevodni.

Notranji in zunanji polprevodniki

Notranji prevodniki so tisti, pri katerih je energijska vrzel med valenčnim pasom in prevodnim pasom dovolj majhna, da lahko toplotna energija prehaja skozi elektrone.

Po drugi strani pa zunanji vodniki po dopingu z nečistočami kažejo spremembe v svoji elektronski strukturi, ki povečujejo njihovo električno prevodnost. Ta nečistoča je lahko druga kovina ali nekovinski element.

Če ima nečistoča več valenčnih elektronov, lahko zagotovi donorski pas, ki služi kot most, da se elektroni v valenčnem pasu preidejo v prevodni pas. Te trdne snovi so polprevodniki n tipa. Tukaj ime n izvira iz "negativno".

Na zgornji sliki je donorski pas prikazan v modrem bloku tik pod prevodnim pasom (vrsta n).

Po drugi strani pa, če ima nečistoča manj valenčnih elektronov, zagotavlja akceptorski pas, ki skrajša energijsko vrzel med valenčnim pasom in prevodnim pasom.

Elektroni najprej migrirajo proti tem pasu, za seboj puščajo "pozitivne luknje", ki se premikajo v nasprotni smeri.

Ker te pozitivne luknje označujejo prehod elektronov, je trdna snov ali polprevodnik p tipa.

Primeri teorije uporabnih pasov

- Pojasnite, zakaj so kovine sijoče: njihovi gibajoči se elektroni lahko absorbirajo sevanje v širokem območju valovnih dolžin, ko skočijo na višjo raven energije. Nato oddajajo svetlobo in se vračajo na nižje ravni prevodnega pasu.

- Kristalni silicij je najpomembnejši polprevodniški material. Če je del silicija zasut s sledmi elementa skupine 13 (B, Al, Ga, In, Tl), postane polprevodnik p tipa. Če je dopiran z elementom skupine 15 (N, P, As, Sb, Bi), postane polprevodnik n-tipa.

- Svetleča dioda (LED) je polprevodnik na plošči. Kaj to pomeni? Da ima material obe vrsti polprevodnikov, n in p. Elektroni selijo iz prevodnega pasu polprevodnika n-tipa v valenčni pas polprevodnika p-tipa.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str 486–490.
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja., Str. 103–107, 633–635). Mc Graw Hill.
3. Nave CR (2016). Teorija bendov. Pridobljeno 28. aprila 2018, iz: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Steve Kornic. (2011). Kemični prehod s povezav na skupine. Pridobljeno 28. aprila 2018 z: chembio.uoguelph.ca
5. Wikipedija. (2018). Zunanji polprevodnik. Pridobljeno 28. aprila 2018 z: en.wikipedia.org
6. BYJU'S. (2018). Teorija pasov kovin. Pridobljeno 28. aprila 2018 z: byjus.com