Dải Năng Lượng trong Tinh Thể

Theo lý thuyết cấu trúc nguyên tử của Neil Bohr, tất cả các nguyên tử được tìm thấy có các mức năng lượng rời rạc xung quanh hạt nhân trung tâm (để biết thêm chi tiết, xem bài viết “Các Mức Năng Lượng Nguyên Tử”). Bây giờ, hãy xem xét trường hợp khi hai hoặc nhiều nguyên tử như vậy được đặt gần nhau. Trong trường hợp này, cấu trúc của các mức năng lượng rời rạc biến đổi thành cấu trúc dải năng lượng. Đó là, thay vì các mức năng lượng rời rạc, ta có thể tìm thấy các dải năng lượng rời rạc. Nguyên nhân hình thành các dải năng lượng trong tinh thể là do sự tương tác lẫn nhau giữa các nguyên tử, kết quả của lực điện từ giữa chúng.
Hình 1 cho thấy một cách sắp xếp điển hình của các dải năng lượng như vậy. Ở đây, dải năng lượng 1 có thể được coi là tương đương với mức năng lượng E1 của một nguyên tử cô lập và dải năng lượng 2 tương ứng với mức E2 và tiếp tục như vậy.

Điều này tương đương với việc nói rằng các electron gần hạt nhân của các nguyên tử tương tác tạo thành dải năng lượng 1, trong khi những electron ở các quỹ đạo bên ngoài hơn tạo ra các dải năng lượng cao hơn.

Trên thực tế, mỗi dải này bao gồm nhiều mức năng lượng rất gần nhau.

Từ hình vẽ, có thể thấy số lượng mức năng lượng xuất hiện trong một dải năng lượng cụ thể tăng lên khi dải năng lượng được xem xét tăng lên, tức là dải năng lượng thứ ba rộng hơn dải năng lượng thứ hai, mà dải năng lượng thứ hai lại rộng hơn so với dải năng lượng thứ nhất. Khoảng cách giữa các dải năng lượng này được gọi là dải cấm hoặc khoảng cách dải (Hình 1). Hơn nữa, tất cả các electron trong tinh thể đều bị buộc phải tồn tại trong một trong các dải năng lượng. Điều này có nghĩa là các electron không thể được tìm thấy trong vùng dải cấm năng lượng.

Các Loại Dải Năng Lượng

Các dải năng lượng trong tinh thể có thể thuộc nhiều loại khác nhau. Một số trong đó hoàn toàn trống rỗng, do đó được gọi là dải năng lượng trống, trong khi một số khác hoàn toàn đầy và được gọi là dải năng lượng đầy. Thông thường, các dải năng lượng đầy sẽ là các mức năng lượng thấp hơn nằm gần hạt nhân của nguyên tử và không có electron tự do, có nghĩa là chúng không thể tham gia vào quá trình dẫn điện. Cũng có một tập hợp khác của dải năng lượng có thể là sự kết hợp của dải năng lượng trống và đầy, được gọi là dải năng lượng hỗn hợp.
Tuy nhiên, trong lĩnh vực điện tử, người ta đặc biệt quan tâm đến cơ chế dẫn điện. Do đó, ở đây, hai dải năng lượng trở nên cực kỳ quan trọng. Đó là

Dải Năng Lượng Valence

Dải năng lượng này bao gồm các electron valence (electron ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử) và có thể hoàn toàn hoặc một phần đầy. Ở nhiệt độ phòng, đây là dải năng lượng cao nhất chứa electron.

Dải Năng Lượng Dẫn Điện

Dải năng lượng thấp nhất thường không được chiếm bởi electron ở nhiệt độ phòng được gọi là dải năng lượng dẫn điện. Dải năng lượng này bao gồm các electron tự do khỏi lực hấp dẫn của hạt nhân nguyên tử.
Nói chung, dải năng lượng valence là dải năng lượng có năng lượng thấp hơn so với dải năng lượng dẫn điện và do đó được tìm thấy dưới dải năng lượng dẫn điện trong sơ đồ dải năng lượng (Hình 2). Các electron trong dải năng lượng valence được gắn kết lỏng lẻo với hạt nhân nguyên tử và nhảy vào dải năng lượng dẫn điện khi vật liệu được kích thích (ví dụ, nhiệt học).

Tầm Quan Trọng Của Các Dải Năng Lượng

Nó được biết rằng quá trình dẫn điện thông qua các vật liệu chỉ do các electron tự do trong chúng. Sự thật này có thể được tái diễn đạt theo lý thuyết dải năng lượng là “các electron hiện diện trong dải năng lượng dẫn điện là những electron duy nhất đóng góp cho cơ chế dẫn điện”. Do đó, người ta có thể phân loại các vật liệu thành các loại khác nhau bằng cách xem sơ đồ dải năng lượng của chúng.
Ví dụ, nếu sơ đồ dải năng lượng cho thấy một sự chồng chéo đáng kể giữa dải năng lượng valence và dải năng lượng dẫn điện (Hình 3a), điều đó có nghĩa là vật liệu có nhiều electron tự do, do đó nó có thể được coi là một chất dẫn điện tốt, tức là kim loại.

Ngược lại, nếu chúng ta có một sơ đồ dải năng lượng trong đó có một khoảng cách lớn giữa dải năng lượng valence và dải năng lượng dẫn điện (Hình 3b), điều này có nghĩa là chúng ta cần cung cấp cho vật liệu một lượng năng lượng lớn để có được dải năng lượng dẫn điện đầy. Đôi khi, điều này có thể khó khăn hoặc thậm chí không thực tế. Điều này sẽ khiến dải năng lượng dẫn điện không có electron, do đó vật liệu sẽ không dẫn điện. Vì vậy, các loại vật liệu này sẽ là chất cách điện.
Bây giờ, giả sử chúng ta có một vật liệu cho thấy một khoảng cách nhỏ giữa dải năng lượng valence và dải năng lượng dẫn điện như được hiển thị trong Hình 3c. Trong trường hợp này, chúng ta có thể làm cho các electron trong dải năng lượng valence chiếm dải năng lượng dẫn điện bằng cách cung cấp một lượng năng lượng nhỏ. Điều này có nghĩa là mặc dù các vật liệu này thường là chất cách điện, chúng có thể được chuyển đổi thành chất dẫn điện bằng cách kích thích chúng từ bên ngoài. Do đó, các vật liệu này sẽ được gọi là semiconductor.

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.