Chimie

Bande de conduction


Domaine d'expertise - Chimie générale, chimie théorique, physique quantique

En relation avec le modèle de bande (également connu sous le nom de modèle de bande d'énergie), il s'agit d'un terme courant pour la bande d'énergie qui est directement au-dessus de la bande de valence, inoccupée ou seulement partiellement occupée par des électrons. Une bande d'énergie résulte des états électroniques discrets des atomes lorsqu'un solide est constitué par interaction avec les atomes voisins (intégrales de chevauchement).

La distance entre la bande de valence occupée par les électrons et la bande de conduction au-dessus est d'une importance particulière pour évaluer les propriétés électriques (par exemple la conductivité électrique) d'une substance. La largeur de cette bande interdite, également appelée zone interdite (donnée en eV), dans laquelle il n'y a pas d'états électroniques stationnaires, est un critère essentiel pour classer un matériau en conducteur électrique, semi-conducteur ou isolant (non conducteur).

Unités d'apprentissage dans lesquelles le terme est traité

Cristaux atomiques45 minutes.

ChimieChimie généraleSolides

Les cristaux atomiques peuvent être divisés en trois types de structure : structure spatiale, structure en couches et structure en chaîne.Cette unité d'apprentissage traite spécifiquement de la conductivité électrique des différents cristaux atomiques.

Liaison métallique40 minutes.

ChimieChimie généraleLiaison chimique

L'unité d'apprentissage décrit les caractéristiques d'une liaison métallique.


Bande de conduction

Le terme Bande de conduction appartient au modèle du ruban utilisé pour expliquer la conductivité électrique des matériaux. Il désigne la bande d'énergie qui existe à la température absolue zéro (T = 0 K) est au-dessus de la bande d'énergie la plus élevée occupée par les électrons (bande de valence). [1]

  • chevauchent partiellement la bande de valence (par exemple avec le sodium) et sont donc partiellement occupés (métaux et semi-métaux)
  • séparés de la bande de valence par la bande interdite et donc inoccupés (semi-conducteurs et isolants).

Si les électrons d'un matériau se trouvent dans la bande de conduction, ils peuvent facilement absorber l'énergie d'un champ électrique en raison des états d'énergie libre dans la bande de conduction. Selon le théorème de Bloch, des particules libres comparables se déplacent comme des quasi-particules. Le matériau est donc électriquement conducteur.

Dans les semi-conducteurs et les isolants, la bande de conduction est séparée de la bande de valence par la bande interdite. Les électrons ne peuvent surmonter cela que par un apport d'énergie externe - par excitation thermique, cinétique ou photonique (voir aussi : effet photoélectrique).

Le calcul théorique de toutes les bandes de solides cristallins se fait en mécanique quantique à l'aide du théorème de Bloch afin d'obtenir les états électroniques dans le potentiel périodique (celui des atomes dans le solide).


Importance dans la conduction électrique

État fondamental et champ électrique externe

Les bandes entièrement occupées ne peuvent pas contribuer à la conductivité, car lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les électrons absorbent l'énergie de ce champ, ils sont élevés pour libérer des termes d'énergie plus élevés dans la bande et la bande est pliée. Des états d'énergie libre sont nécessaires pour que les électrons puissent se déplacer dans le solide. Si la bande est entièrement occupée, les électrons ne peuvent pas adopter un niveau d'énergie plus élevé dans la même bande en raison de l'énergie fournie par le champ électrique. Étant donné qu'un changement dans l'emplacement de tous les électrons n'entraîne pas un transport net de charge électrique, un matériau avec une bande de valence entièrement occupée est un isolant.

Approvisionnement en énergie externe

Si, cependant, une quantité d'énergie thermique ou photonique est fournie à un semi-conducteur qui se situe dans la plage de la bande interdite, alors les électrons de valence sont excités dans la bande de conduction. Ces électrons dans la bande de conduction peuvent absorber l'énergie d'un champ électrique et rendre le matériau (ainsi que les électrons défectueux résultants, c'est-à-dire des "trous" dans la bande de valence) conducteur. Cet effet, qui augmente fortement avec la température, est appelé conduction intrinsèque, dans le cas d'une excitation par des photons, photoconduction. En revanche, il y a la conduction d'impuretés, qui peut être générée en introduisant des atomes étrangers (dopage) dans le semi-conducteur.

Les semi-conducteurs et les isolants ne diffèrent que par la largeur de la bande interdite. Avec ce dernier c'est tellement gros (E.g& # 160 & gt & # 1603 & # 160eV) que les électrons ne peuvent les surmonter par excitation thermique à des températures finies.


Utilisation

La physique intéressante du semi-conducteur (conductivité, transitions optiques) se déroule dans un minimum de la bande de conduction (courbure positive = masse effective des électrons positifs) et dans un maximum de la bande de valence (courbure négative = masse effective des électrons négatifs ) (alors que dans un métal d'autres configurations peuvent également se produire). Un électron a une masse effective négative ($ m_ mathrm^ <*> & lt 0 $) et se déplace donc vers des potentiels électriques inférieurs lorsqu'il y a un champ électrique externe, c'est-à-dire vers le pôle moins (contrairement aux électrons dans la bande de conduction ou dans les métaux). Si un électron (charge $ q_ mathrm-e $) avec impulsion $ hbar vec_ mathrm $ de la bande de valence à un niveau accepteur ou dans la bande de conduction (excitation thermique ou optique), alors un état inoccupé reste dans la bande de valence. Dans la bande entièrement occupée, il y a pour chaque impulsion positive un négatif tout aussi grand à l'intérieur de la surface de Fermi (dans le cas le plus simple, la sphère de Fermi). Ainsi après l'excitation dans la bande de valence il reste un état inoccupé et une impulsion résultante $-hbarvec_ mathrm $ de retour. De plus, une charge positive résultante $ + e $ est restée dans la bande précédemment neutre entièrement occupée en raison de la suppression d'un électron. Cela peut être décrit de manière équivalente comme un trou avec une charge positive $ + e $, un élan positif $ hbar vec $ et masse effective positive $ m_ mathrm^ <*> = -m_ mathrm^ <*> & gt 0 $, donc la direction du mouvement $ vec v $ est égale à celle de l'électron dans la bande de valence qui, c'est-à-dire dans le champ électrique externe au pôle moins.

L'électron retiré (Anglais & # 32 électron manquant) avait exactement la même vitesse que le trou qui restait après l'excitation :

Un champ électrique externe accélère l'électron manquant s'il était dans son état d'origine, tout comme le trou :

D'autres grandeurs caractéristiques importantes des semi-conducteurs sont la mobilité des porteurs de charge et leur masse effective. Cependant, les deux ne sont pas automatiquement de la même taille pour les électrons et les trous et dépendent également, par exemple, du matériau, du dopage, de l'état de contrainte mécanique, de la température, de la direction du mouvement, etc.


Bande de conduction

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Modèle amoureux de l'énergie

Modèle de changement d'énergie, B & # 228ème modèle, description en mécanique quantique des états électroniques, notamment dans les solides métalliques, à l'aide de molécules (cristal) orbitales, dont les valeurs énergétiques sont regroupées en bandes densément peuplées. En combinant le grand nombre (N & # 8776 10 23) des & # 252 orbitales atomiques équivalentes disponibles dans le cristal métallique, il y a autant de molécules & # 252 orbitales qui sont délocalisées sur l'ensemble du cristal. Les niveaux d'énergie associés sont si rapprochés qu'ils ne peuvent pas être différenciés expérimentalement les uns des autres. Vous devenez donc un Bande d'énergie résumé. La force de l'interaction entre les orbitales atomiques équivalentes respectives et donc la largeur de la bande d'énergie dépend essentiellement de la distance entre les atomes dans le réseau. L'occupation des niveaux dans les bandes d'énergie prend en compte le principe de Pauli. La combinaison des orbitales de valence équivalentes des atomes du cristal crée des changements d'énergie qui ont une largeur et une disposition caractéristiques pour les substances individuelles. Une distinction est faite entre ce qui est partiellement ou complètement occupé par des électrons Bande de Valence et le vide Bande de conduction (Figure.). Il est caractéristique des métaux que les bandes de valence et de conduction se chevauchent. Dans le cas des isolants et des semi-conducteurs, il existe une zone interdite entre les deux bandes. Dans le cas des semi-conducteurs, celui-ci a une largeur nettement inférieure à celle des isolants, de sorte que dans les semi-conducteurs, les électrons peuvent passer de la bande de valence à la bande de conduction par excitation thermique. Ainsi, avec l'aide de l'E., la conductivité différente des substances peut être expliquée. La conductivité d'un semi-conducteur peut être augmentée en ajoutant (dopant) certains atomes étrangers. Si l'on dope z. B. silicium avec des atomes de III. ou V groupe principal du système périodique, il en résulte des niveaux accepteurs ou donneurs à l'intérieur de la zone interdite, qui provoquent des points d'interférence supplémentaires ou de conduction externe.



Modèle de changement d'énergie. Fig.: Diagramme de bande d'énergie d'un (a) métal avec une bande de valence remplie, (b) un isolant, (c) un semi-conducteur. Bande de valence V, bande de conduction L.


Pourquoi le mercure est-il liquide ?

Vous voulez dire avec des conditions standard. Cela a à voir avec leur configuration électronique, qui a une orbitale 4f remplie ainsi que des orbitales s et d complètement remplies et a donc une stabilité élevée et donc une bande de conduction favorable en raison de la stabilité énergétique. Le zinc et le cadmium plus légers (même colonne de métaux de transition), en revanche, sont encore suffisamment petits pour basculer entre les bandes de valence et de conduction sans perdre en stabilité. Ceux-ci peuvent ainsi maintenir les liaisons métalliques typiques dans le nuage d'électrons et ainsi ils sont toujours " fermes ". Les orbitales occupées sont plus proches du noyau que prévu. Cela garantit la différence d'énergie élevée entre les bandes de conduction et de valence. Cette différence est nettement plus élevée avec le mercure qu'avec le cadmium et le zinc, en raison du noyau plus gros et de l'orbitale. Dans le cas du mercure, cela assure par conséquent la faible liaison métallique.

Pour cela, cependant, il est nécessaire de visualiser la configuration électronique et de pouvoir comprendre les principes de base de la liaison métallique.

Il s'agit brièvement d'un effet relaviste basé sur la configuration électronique.