고체의 밴드 이론

양자 물리학은 양자 수의 4중 구조에 따라 원자의 전자 상태를 설명합니다. . 양자 번호는 허용 상태를 나타냅니다. 전자는 원자에서 가정할 수 있습니다. 원형 극장의 비유를 사용하기 위해 양자 수는 사용 가능한 행과 좌석 수를 나타냅니다. 개별 전자는 특정 행과 좌석에 배정된 원형 극장의 관중과 같이 양자 수의 조합으로 설명될 수 있습니다.

원형 극장의 관중이 좌석과 열 사이를 이동하는 것처럼 전자는 자신이 들어갈 수 있는 공간과 사용 가능한 에너지가 있는 경우 상태를 변경할 수 있습니다. 껍질 수준은 전자가 가지고 있는 에너지의 양과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 껍질(심지어 하위 껍질까지) 수준 사이의 "도약"은 에너지 전달을 필요로 합니다. 전자가 고차 껍질로 이동하려면 외부 소스에서 전자에 추가 에너지가 제공되어야 합니다. 원형 극장의 비유를 사용하면 사람이 중력에 대항하여 더 높은 높이로 올라가야 하기 때문에 더 높은 열의 좌석으로 이동하려면 에너지가 증가해야 합니다. 반대로, 전자가 아래쪽 껍질로 "뛰어넘기"면 에너지의 일부를 포기합니다. 마치 사람이 아래쪽 좌석 열로 뛰어내리는 것처럼 소비된 에너지는 열과 소리로 나타납니다.

모든 "도약"이 동일하지는 않습니다. 서로 다른 껍질 사이의 도약에는 상당한 에너지 교환이 필요하지만 하위 껍질이나 궤도 사이의 도약에는 적은 양의 에너지 교환이 필요합니다.

원자가 결합하여 물질을 형성할 때 가장 바깥쪽 껍질, 하위 껍질 및 궤도가 합쳐져 ​​전자가 가정할 수 있는 더 많은 에너지 준위를 제공합니다. 많은 수의 원자가 서로 가까울 때 이러한 가용 에너지 준위는 거의 연속적인 띠를 형성합니다. 여기서 전자는 아래 그림과 같이 이동할 수 있습니다.

금속 원소의 전자띠 겹침

전기장에 노출되었을 때 전자가 얼마나 움직일지를 결정하는 것은 이러한 밴드의 폭과 기존 전자와의 근접성입니다. 금속 물질에서 빈 밴드는 전자를 포함하는 밴드와 겹칩니다. 이는 단일 원자의 전자가 추가 에너지가 거의 또는 전혀 전달되지 않은 상태에서 일반적으로 더 높은 수준의 상태로 이동할 수 있음을 의미합니다. 따라서 외부 전자는 "자유롭다"고 말하며 전기장의 손짓에 따라 움직일 준비가 되어 있습니다.

얼마나 많은 원자가 서로 가까이 있더라도 모든 물질에서 밴드 겹침이 발생하지는 않습니다. 일부 물질에서는 전자를 포함하는 가장 높은 밴드(소위 가전자대 ) 및 비어 있는 다음 대역(소위 전도 대역 ). 아래 그림을 참조하십시오. 결과적으로 원자가 전자는 구성 원자에 "결합"되어 상당한 양의 전달된 에너지 없이는 물질 내에서 이동할 수 없습니다. 이러한 물질은 전기 절연체입니다.

절연 물질의 전자띠 분리

반도체 범주에 속하는 재료 가전자대와 전도대 사이의 간격이 좁습니다. 따라서 원자가 전자를 전도대로 움직이게 하는 데 필요한 에너지의 양은 매우 적습니다. (아래 그림)

반도체 물질에서 전자 밴드 분리, (a) 다수의 반도체 근접 원자로 인해 여전히 상당한 밴드 갭이 발생하고, (b) 참조용으로 다수의 근접 금속 원자가 발생합니다.

저온에서 이 갭을 가로질러 원자가 전자를 밀어내는 데 사용할 수 있는 열 에너지는 거의 없으며 반도체 재료는 절연체 역할을 더 많이 합니다. 그러나 더 높은 온도에서는 주변 열 에너지가 전자를 갭을 가로질러 강제로 통과시키기에 충분하게 되며 재료는 전기 전도를 증가시킵니다. 물질을 구성하는 원자의 전자 배열을 조사하여 물질의 전도성을 예측하는 것은 어렵습니다. 최고의 금속 전기 전도체(은, 구리 및 금)는 모두 외부 단일 전자가 있는 서브쉘의 경우 전도도와 원자가 전자 수 사이의 관계가 반드시 일치하지는 않습니다.

다른 원소의 화합물에 의해 생성된 전자 밴드 구성은 구성 요소의 전자 구성과 쉽게 연관되지 않습니다.

검토:

<울>

가전자대에서 전자를 더 높은 비점유대인 전도대로 제거하는 데 에너지가 필요합니다. 껍질 사이를 이동하는 데 더 많은 에너지가 필요하고 하위 껍질 사이에는 더 적은 에너지가 필요합니다.

원자가 밴드와 전도 밴드가 금속에서 겹치기 때문에 전자를 제거하는 에너지가 거의 없습니다. 금속은 우수한 전도체입니다.

절연체의 가전자대와 전도대 사이의 큰 갭은 전자를 제거하기 위해 높은 에너지를 필요로 합니다. 따라서 절연체는 전도하지 않습니다.

반도체는 가전자대와 전도대 사이에 겹치지 않는 작은 간격이 있습니다. 순수한 반도체는 좋은 절연체도 도체도 아닙니다. 반도체는 반도체입니다.

관련 워크시트:

<울>

반도체의 전기 전도 워크시트