Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương 6: Năng lượng của điện tử trong trường tuần hoàn của tinh thể (Tiếp theo) - Lê Văn Thăng
CHÖÔNG VI
NAÊNG LÖÔÏNG CUÛA ÑIEÄN TÖÛ
TRONG TRÖÔØNG TUAÀN HOAØN
CUÛA TINH THEÅ
PHAÂN BIEÄT CAÙC CHAÁT
BAÙN DAÃN ÑIEÄN - KIM LOAÏI VAØ ÑIEÄN MOÂI DÖÏA VAØO CAÁU
TRUÙC VUØNG NAÊNG LÖÔÏNG CUÛA CHUÙNG
▪ Doøng ñieän laø doøng chuyeån ñoäng coù höôùng cuûa
caùc haït mang ñieän döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng
ngoaøi.
▪Vaän toác cuûa taäp theå electron döôùi taùc duïng cuûa
ñieän tröôøng ngoaøi phaûi coù thaønh phaàn khaùc 0 doïc
theo phöông cuûa ñieän tröôøng.
▪ Trong moät vuøng hoaøn toaøn ñaày electron, caùc
electron chæ coù theå thay ñoåi vò trí cho nhau vaø doïc
theo moät chieàu naøo ñoù, vectô vaän toác toång coäng
baèng 0.
▪ Khi ñaët ñieän tröôøng leân tinh theå, electron coù theå thu
ñöôïc naêng löôïng khi chuyeån ñoäng trong tröôøng ñoù.
▪ Naêng löôïng maø electron thu ñöôïc treân quaõng ñöôøng
bay töï do baèng eE .
▪ Treân thöïc teá eE << Eg.
▪ Nhö vaäy, naêng löôïng maø electron thu ñöôïc khi ñoù
khoâng ñuû ñeå cho noù nhaûy qua vuøng caám ñeå leân vuøng
daãn.
muoán daãn ñieän toát, chaát phaûi coù vuøng naêng löôïng
chöa ñaày electron .
▪ Naêng löôïng dao ñoäng nhieät cuûa maïng tinh theå coù theå
cung caáp naêng löôïng cho electron nhaûy töø moät vuøng
ñaày leân vuøng troáng ôû treân.
▪ ÔÛ moät nhieät ñoä T naøo ñoù, ñoäng naêng trung bình cuûa
caùc nguyeân töû baèng 3kT/2 ( khoaûng 0,037 eV ) ôû nhieät
ñoä phoøng.
▪ Treân thöïc teá bao giôø cuõng coù caùc nguyeân töû coù naêng
löôïng raát lôùn hôn giaù trò trung bình ñoù. Theo phaân boá
Boltzmann, xaùc suaát ñeå nguyeân töû dao ñoäng coù naêng
löôïng baèng E tyû leä vôùi exp(-Eg/kT) .
Caùc nguyeân töû , khi va chaïm vôùi caùc electron, nhöôøng
cho chuùng moät phaàn hay toaøn boä naêng löôïng cuûa mình.
Neáu naêng löôïng ñoù baèng hoaëc lôùn hôn ñoä roäng vuøng
caám Eg thì electron coù theå nhaûy leân vuøng treân.
Vôùi nhöõng ñieàu vöøa noùi, döïa vaøo caáu truùc vuøng naêng
löôïng cuûa moät chaát ta coù theå bieát chaát ñoù daãn ñieän hay
caùch ñieän.
KIM LOAÏI
1. Chaát coù vuøng hoùa trò chæ ñaày moät phaàn(kim loaïi
kieàm) hay ñaõ ñaày hoaøn toaøn nhöng coù moät phaàn
truøng vôùi vuøng naèm ôû treân (kim loaïi kieàm thoå) .
Döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng ngoaøi, caùc
electron coù theå chuyeån ñoäng deã daøng trong
phaïm vi cuûa vuøng hoùa trò.
VÍ DUÏ
Caùc kim loaïi kieàm : Li, Na, K, Rb vaø Cs .
Caùc electron hoùa trò trong caùc kim loaïi naøy naèm
ôû traïng thaùi ns. Khi taïo thaønh tinh theå chaát raén, caùc
vuøng naêng löôïng tröø vuøng hoùa trò, ñeàu hoaøn toaøn ñaày
electron .
Vuøng hoùa trò (hình thaønh töø möùc ns ) coù 2N traïng
thaùi nhöng chæ coù N electron : vuøng hoùa trò chæ ñaày
moät nöûa.
Caùc kim loaïi kieàm daãn ñieän toát.
KIM LOAÏI KIEÀM
Na11 : . . . 3s1
KIM LOAÏI KIEÀM THOÅ
Caùc kim loaïi
kieàm thoå coù hai
electron hoùa trò
naèm ôû traïng thaùi
ns.
Tuy nhieân khi hình thaønh tinh theå, vuøng ns vaø np
phuû nhau moät phaàn. Nhôø ñoù, caùc electron naèm ôû caùc
möùc cao cuûa vuøng ns chieám caùc möùc thaáp cuûa vuøng
np cho ñeán khi caû hai vuøng chöùa electron ñeán moät
möùc ngang nhau .
VÍ DUÏ
Mg12 : 1s22s22p63s2
Caû hai vuøng naøy ñeàu coù electron vaø coøn nhieàu
möùc troáng. Kim loaïi kieàm thoå daãn ñieän toát.
CHAÁT CAÙCH ÑIEÄN VAØ CHAÁT BAÙN DAÃN
Chaát coù vuøng hoùa trò chöùa ñaày electron vaø treân
ñoù laø vuøng caám naêng löôïng coù ñoä roäng baèng Eg .
ÔÛ nhieät ñoä 0 K chaát naøy hoaøn toaøn khoâng daãn ñieän
vì naêng löôïng maø electron thu ñöôïc trong ñieän
tröôøng ngoaøi vaø dao ñoäng nhieät khoâng ñuû ñeå vöôït
qua vuøng caám.
ÔÛ moät nhieät ñoä T naøo ñoù, xaùc suaát ñeå electron coù
naêng löôïng baèng Eg tyû leä vôùi exp(-Eg/ kT) .
Nhö vaäy, bao giôø cuõng coù moät soá electron coù naêng
löôïng nhieät ñuû ñeå nhaûy leân vuøng naêng löôïng naèm ôû
beân treân coøn raát nhieàu möùc troáng.
Neáu Eg khaù lôùn vaø ôû nhieät ñoä khoâng quaù cao thì soá
electron nhaûy ñöôïc leân vuøng treân khoâng ñaùng keå vaø chaát
nhö vaäy treân thöïc teá laø moät chaát khoâng daãn ñieän.
Thöôøøng quy öôùc : chaát coù caáu truùc vuøng vôùi Eg 3 eV laø
chaát caùch ñieän.
Neáu Eg < 3 eV, khi nhieät ñoä khoâng quaù thaáp thì soá
electron coù ñuû naêng löôïng ñeå vöôït qua vuøng caám khaù nhieàu
Chaát baùn daãn
Soá electron töø vuøng hoùa trò nhaûy leân vuøng treân (ñöôïc
goïi laø vuøng daãn) trong moät ñôn vò thôøi gian baèng Aexp(-Eg /
kT) vôùi A laø moät heä soá tyû leä khoâng phuï thuoäc nhieät ñoä.
ª Moãi electron nhaûy ñöôïc leân vuøng daãn ñeå laïi moät loã
troáng ôû trong vuøng hoùa trò.
ª Ñoàng thôøi vôùi söï nhaûy leân vuøng naêng löôïng cao hôn cuûa
electron laø quaù trình nhaûy ngöôïc trôû laïi vuøng hoùa trò (quaù
trình taùi hôïp electron -loã troáng ) .
ª Toác ñoä cuûa quaù trình naøy tyû leä vôùi noàng ñoä n cuûa
electron coù trong vuøng daãn vaø noàng ñoä p cuûa loã troáng coù
trong vuøng hoùa trò , nghóa laø baèng .n.p vôùi laø heä soá tyû leä.
E
g
= .n.p = n2 ( vì n = p ).
Aexp−
kT
Eg
A
Trong traïng thaùi
caân baèng ñoäng
n = exp−
2kT
Nguyeân toá a ( nm) Eg
C (kim cöông) 0,356 5 eV
Si
0,543 1,1 eV
0,566 0,7 eV
0,646
Ge
Thieác
Kim loaïi
Chaát baùn daãn Ñieän moâi
E
c
E
E
c
Eg
Ef
Eg
v
Ev
THAØNH COÂNG VAØ HAÏN CHEÁ
CUÛA LYÙ THUYEÁT VUØNG ÑÔN GIAÛN
° Giaûi thích ñöôïc taïi sao chaát raén laø chaát daãn ñiện,
chaát baùn daãn hoaëc chaát caùch ñiệän.
° Thieát laäp quan heä giöõa caùc tính chaát cuûa vaät lieäu vaø
nguyeân töû.
° Giaûi thích söï toàn taïi cuûa caùc haït coù ñieän tích döông
(loã troáng) vaø giaûi thích khaùi nieäm khoái löôïng hieäu duïng.
° Pheùp gaàn ñuùng moät electron khoâng theå tính ñeán caùc
hieäu öùng taäp theå nhö hieän töôïng saét töø vaø sieâu daãn vaø söï
chuyeån pha do naêng löôïng toaøn phaàn cuûa electron.
17 trang
28780
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương 6: Năng lượng của điện tử trong trường tuần hoàn của tinh thể (Tiếp theo) - Lê Văn Thăng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_vat_ly_chat_ran_chuong_6_nang_luong_cua_dien_tu_tr.ppt
