Điện tử hóa trị và Điện dẫn là gì?

Điều gì là Điện tử Vị và Điện dẫn ?

Định nghĩa Điện tử Vị

Một nguyên tử được tạo thành từ hạt nhân chứa proton và neutron, với các electron ở các vỏ xung quanh. Hạt nhân mang điện tích dương, trong khi các electron mang điện tích âm. Các nguyên tử là trung tính về điện vì chúng có số lượng proton và electron bằng nhau.

Các electron trong một nguyên tử được sắp xếp theo các vỏ dựa trên mức năng lượng của chúng. Vỏ gần hạt nhân nhất có mức năng lượng thấp nhất, trong khi vỏ xa nhất có mức năng lượng cao nhất. Mỗi vỏ có giới hạn tối đa cho số lượng electron: vỏ đầu tiên chứa tối đa 2, vỏ thứ hai chứa tối đa 8, và cứ tiếp tục như vậy.

Điện tử vị là các electron ở vỏ ngoài cùng của các nguyên tử. Chúng tham gia vào liên kết hóa học và có thể bị ảnh hưởng bởi trường điện hoặc từ trường. Số lượng điện tử vị thay đổi từ 1 đến 8, tùy thuộc vào nguyên tố.

Điện tử vị rất quan trọng trong việc xác định các tính chất vật lý, hóa học và điện của một nguyên tố. Các nguyên tố có số điện tử vị tương tự thường có độ phản ứng và loại liên kết tương tự. Số lượng điện tử vị khác nhau dẫn đến sự khác biệt về độ dẫn điện và loại vật liệu.

Độ dẫn điện

Độ dẫn điện đo lường mức độ mà một vật liệu cho phép dòng điện chảy qua nó. Dòng điện bao gồm các điện tích di chuyển, thường được mang bởi các electron tự do hoặc ion. Các vật liệu có độ dẫn điện cao dễ dàng dẫn dòng điện, trong khi các vật liệu có độ dẫn điện thấp chống lại nó.

Độ dẫn điện của một vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhiệt độ, cấu trúc, thành phần và độ tinh khiết. Tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng nhất là số lượng và hành vi của các electron tự do trong vật liệu.

Các electron tự do là các điện tử vị không bị ràng buộc chặt chẽ với nguyên tử gốc của chúng và có thể di chuyển tự do trong vật liệu. Đây là các electron có thể phản ứng với trường điện áp đặt hoặc hiệu điện thế và di chuyển theo một hướng, tạo ra dòng điện.

Số lượng và hành vi của các electron tự do trong một vật liệu được xác định bởi số lượng điện tử vị trong các nguyên tử cấu thành. Nói chung, các vật liệu có ít điện tử vị thường có nhiều electron tự do, trong khi các vật liệu có nhiều điện tử vị thường có ít electron tự do.

Dựa trên độ dẫn điện và số lượng điện tử vị, các vật liệu có thể được phân loại thành ba nhóm chính: dẫn thể, bán dẫn và cách điện.

Dẫn thể

Dẫn thể là các vật liệu có độ dẫn điện cao vì chúng có nhiều electron tự do có thể dễ dàng mang dòng điện. Dẫn thể thường có một, hai, hoặc ba điện tử vị trong các nguyên tử. Các điện tử vị này có mức năng lượng cao và được gắn kết lỏng lẻo với nguyên tử gốc của chúng. Chúng có thể dễ dàng tách khỏi nguyên tử hoặc di chuyển trong vật liệu khi có trường điện hoặc hiệu điện thế được áp dụng.

Hầu hết các kim loại là dẫn thể tốt vì chúng có ít điện tử vị trong các nguyên tử. Ví dụ, đồng có một điện tử vị, magie có hai điện tử vị, và nhôm có ba điện tử vị. Những kim loại này có nhiều electron tự do trong cấu trúc tinh thể của chúng, có thể di chuyển tự do khi có trường điện áp đặt.

Một số phi kim cũng có thể hoạt động như dẫn thể dưới một số điều kiện. Ví dụ, than chì (một dạng của carbon) có bốn điện tử vị trong các nguyên tử, nhưng chỉ có ba trong số đó được sử dụng để liên kết với các nguyên tử carbon khác trong lưới hình lục giác. Điện tử vị thứ tư có thể di chuyển tự do dọc theo lưới khi có trường điện áp đặt.

Bán dẫn

Bán dẫn là các vật liệu có độ dẫn điện trung bình vì chúng có ít electron tự do có thể mang dòng điện dưới một số điều kiện. Bán dẫn là các vật liệu có bốn điện tử vị trong các nguyên tử, như carbon, silic, và germanium. Các điện tử vị này được sử dụng để liên kết với các nguyên tử khác trong một cấu trúc lưới đều đặn. Tuy nhiên, ở nhiệt độ phòng, một số trong số các điện tử vị này có thể nhận đủ năng lượng để thoát khỏi các liên kết và trở thành electron tự do. Các electron tự do này sau đó có thể mang dòng điện khi có trường điện áp đặt.

Tuy nhiên, số lượng electron tự do trong bán dẫn thuần túy rất thấp, và độ dẫn điện rất kém. Do đó, bán dẫn thường được pha tạp với các nguyên tử tạp chất có số điện tử vị nhiều hơn hoặc ít hơn so với nguyên tử chủ. Điều này tạo ra dư thừa hoặc thiếu hụt electron tự do trong bán dẫn, tăng độ dẫn điện của nó.

Có hai loại pha tạp: n-type và p-type. Trong pha tạp n-type, các nguyên tử tạp chất có năm điện tử vị, như phosphor hoặc arsênic, được thêm vào bán dẫn. Các nguyên tử này cung cấp một điện tử vị bổ sung cho bán dẫn, tạo ra một载体自由电子，形成负电荷载流子。在p型掺杂中，向半导体中添加具有三个价电子的杂质原子，如硼或镓。这些原子从半导体中接受一个价电子，形成正电荷载流子，称为空穴。 半导体广泛应用于各种电子设备中，如晶体管、二极管、太阳能电池、发光二极管（LED）、激光器和集成电路。这些设备利用了半导体的独特特性，例如它们能够在导电和绝缘状态之间切换的能力、对光和温度的敏感性以及与其他材料的兼容性。 **绝缘体** 绝缘体是由于几乎没有或没有可以携带电流的自由电子而具有低电导率的材料。绝缘体通常在其原子中有五个或更多的价电子。这些价电子与其母原子紧密结合，需要大量能量才能脱离或激发。因此，绝缘体不会响应施加的电场或电位差，并且会阻止或阻挡电流的流动。 大多数非金属是良好的电绝缘体，因为它们在其原子中有许多价电子。例如，氮有五个价电子，硫有六个价电子，氖有八个价电子。这些元素在其结构中没有自由电子，不允许电流通过。 某些材料在特定条件下也可以作为绝缘体。例如，玻璃和橡胶在室温下是良好的绝缘体，但在高温下，当一些价电子获得足够的能量成为自由电子时，它们可以变成导体。 绝缘体主要用于防止电流在不需要或不需要的地方流动。例如，绝缘体用于包裹电线和电缆以防止短路和电击。绝缘体还用于分离电子设备或电路的不同部分，以防止不必要的相互作用或干扰。 **结论** 价电子是位于原子最外层壳层的电子，可以参与化学键合和电流。价电子的数量和排列决定了元素的许多物理、化学和电学性质。 电导率是衡量材料允许电流通过其内部的能力。电导率取决于多个因素，例如材料中自由电子的数量和行为。 根据电导率和价电子数量，材料可以分为三类：导体、半导体和绝缘体。 导体具有高电导率，因为它们有许多可以轻松携带电流的自由电子。导体通常在其原子中有一个、两个或三个价电子。 半导体具有中等电导率，因为它们在某些条件下可以携带少量自由电子。半导体通常在其原子中有四个价电子。 绝缘体具有低电导率，因为它们几乎没有或没有可以携带电流的自由电子。绝缘体通常在其原子中有五个或更多价电子。 这些材料在各种电子设备中有不同的应用，如晶体管、二极管、太阳能电池、LED、激光器和集成电路。这些设备利用了这些材料的独特特性，例如它们在导电和绝缘状态之间切换的能力、对光和温度的敏感性以及与其他材料的兼容性。