बैंड सिद्धांत वह है जो ठोस की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को एक पूरे के रूप में परिभाषित करता है। यह किसी भी प्रकार के ठोस पर लागू किया जा सकता है, लेकिन यह उन धातुओं में है जहां इसकी सबसे बड़ी सफलताएं परिलक्षित होती हैं। इस सिद्धांत के अनुसार, धनात्मक आवेशित आयनों, और क्रिस्टल में मोबाइल इलेक्ट्रॉनों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण से धातु बंधन उत्पन्न होता है।
इसलिए, धातु क्रिस्टल में "इलेक्ट्रॉनों का समुद्र" होता है, जो इसके भौतिक गुणों की व्याख्या कर सकता है। नीचे दी गई छवि धातु लिंक को दर्शाती है। इलेक्ट्रॉनों के बैंगनी डॉट्स एक समुद्र में delocalized हैं जो सकारात्मक चार्ज धातु परमाणुओं के चारों ओर हैं।
"इलेक्ट्रॉनों का समुद्र" प्रत्येक धातु परमाणु के व्यक्तिगत योगदान से बनता है। ये इनपुट आपके परमाणु ऑर्बिटल्स हैं। धातु संरचनाएं आमतौर पर कॉम्पैक्ट होती हैं; वे जितने अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं, उनके परमाणुओं के बीच अधिक से अधिक सहभागिता होती है।
नतीजतन, उनके परमाणु ऑर्बिटल्स ऊर्जा में बहुत संकीर्ण आणविक ऑर्बिटल्स उत्पन्न करने के लिए ओवरलैप करते हैं। इलेक्ट्रॉनों का समुद्र तब विभिन्न श्रेणियों की ऊर्जाओं के साथ आणविक कक्षाओं के एक बड़े सेट से ज्यादा कुछ नहीं है। इन ऊर्जाओं की श्रृंखला ऊर्जा बैंड के रूप में जानी जाती है।
ये बैंड क्रिस्टल के किसी भी क्षेत्र में मौजूद हैं, यही वजह है कि इसे संपूर्ण माना जाता है, और वहां से इस सिद्धांत की परिभाषा आती है।
ऊर्जा बैंड मॉडल
जब एक धात्विक परमाणु की कक्षीय कक्षा अपने पड़ोसी (N = 2) के साथ बातचीत करती है, तो दो आणविक कक्षाएँ बनती हैं: एक बंधन (ग्रीन बैंड) और दूसरा एंटी-बॉन्ड (गहरा लाल बैंड)।
यदि एन = 3, अब तीन आणविक कक्षाएँ बनती हैं, जिनमें से मध्य एक (ब्लैक बैंड) गैर-संबंध है। यदि एन = 4, चार ऑर्बिटल्स बनते हैं और उच्चतम बंधन चरित्र वाले और उच्चतम एंटी-बॉन्डिंग वाले चरित्र को अलग किया जाता है।
आणविक ऑर्बिटल्स के लिए उपलब्ध ऊर्जा की सीमा व्यापक हो जाती है क्योंकि क्रिस्टल में धातु के परमाणु अपने ऑर्बिटल्स में योगदान करते हैं। इससे कक्षा के बीच ऊर्जावान स्थान में कमी आ जाती है, इस बिंदु पर कि वे एक बैंड में संघनित हो जाते हैं।
S ऑर्बिटल्स से बने इस बैंड में कम ऊर्जा वाले क्षेत्र हैं (जो रंगीन हरे और पीले रंग के हैं) और उच्च ऊर्जा (उन रंगीन नारंगी और लाल) हैं। इसकी ऊर्जा चरम सीमा कम घनत्व है; हालाँकि, केंद्र में अधिकांश आणविक कक्षाएँ केंद्रित हैं (सफेद बैंड)।
इसका मतलब है कि इलेक्ट्रॉनों को बैंड के केंद्र के माध्यम से "तेजी से चलाते हैं" इसके छोरों के माध्यम से।
फर्मी स्तर
विद्युत चालकता में एक वैलेंस बैंड से एक चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉनों का प्रवास होता है।
यदि दोनों बैंडों के बीच ऊर्जा का अंतर बहुत बड़ा है, तो आपके पास एक इन्सुलेट सॉलिड है (जैसा कि बी के साथ है)। दूसरी ओर, यदि यह अंतर अपेक्षाकृत छोटा है, तो ठोस एक अर्धचालक (सी के मामले में) है।
जब तापमान बढ़ता है, तो वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉन चालन बैंड की ओर पलायन करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं। इससे विद्युत प्रवाह होता है।
वास्तव में, यह ठोस या अर्धचालक सामग्रियों की एक गुणवत्ता है: कमरे के तापमान पर वे इन्सुलेट कर रहे हैं, लेकिन उच्च तापमान पर वे प्रवाहकीय हैं।
आंतरिक और बाहरी अर्धचालक
आंतरिक कंडक्टर वे होते हैं जिनमें वैलेन्स बैंड और कंडक्शन बैंड के बीच ऊर्जा का अंतर होता है जो थर्मल ऊर्जा के लिए इलेक्ट्रॉनों के पारित होने की अनुमति देता है।
दूसरी ओर, बाहरी कंडक्टर अशुद्धियों के साथ डोपिंग के बाद अपने इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं में परिवर्तन प्रदर्शित करते हैं, जो उनकी विद्युत चालकता को बढ़ाते हैं। यह अशुद्धता एक अन्य धातु या एक गैर-धातु तत्व हो सकती है।
यदि अशुद्धता में अधिक वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं, तो यह एक डोनर बैंड प्रदान कर सकता है, जो चालन बैंड में पार करने के लिए वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉनों के लिए एक पुल के रूप में कार्य करता है। ये ठोस एन-प्रकार के अर्धचालक हैं। यहाँ n नाम "नकारात्मक" से आया है।
ऊपरी छवि में डोनर बैंड को कंडक्शन बैंड (टाइप n) के ठीक नीचे नीले ब्लॉक में चित्रित किया गया है।
दूसरी ओर, यदि अशुद्धता में कम वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं, तो यह एक स्वीकर्ता बैंड प्रदान करता है, जो वैलेंस बैंड और चालन बैंड के बीच ऊर्जा अंतर को कम करता है।
इलेक्ट्रॉनों ने पहले "सकारात्मक छेद" को पीछे छोड़ते हुए इस बैंड की ओर पलायन किया, जो विपरीत दिशा में बढ़ रहे हैं।
चूंकि ये सकारात्मक छेद इलेक्ट्रॉनों के पारित होने को चिह्नित करते हैं, इसलिए ठोस या सामग्री एक पी-प्रकार अर्धचालक है।
लागू बैंड सिद्धांत के उदाहरण
- बताइए कि धातुएँ चमकदार क्यों होती हैं: जब वे उच्च ऊर्जा के स्तर पर जाते हैं तो उनके चलते हुए इलेक्ट्रॉन तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में विकिरण को अवशोषित कर सकते हैं। वे फिर प्रकाश का उत्सर्जन करते हैं, चालन बैंड के निचले स्तरों पर लौटते हैं।
- क्रिस्टलीय सिलिकॉन सबसे महत्वपूर्ण अर्धचालक पदार्थ है। यदि एक समूह 13 तत्व (बी, अल, गा, इन, टीएल) के निशान के साथ सिलिकॉन का एक हिस्सा डोप किया जाता है, तो यह एक पी-प्रकार अर्धचालक बन जाता है। जबकि यदि इसे समूह 15 (N, P, As, Sb, Bi) के तत्व के साथ डोप किया जाता है तो यह एक n- प्रकार अर्धचालक बन जाता है।
- प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) एक pn बोर्ड सेमीकंडक्टर है। इसका क्या मतलब है? यह सामग्री दोनों प्रकार के अर्धचालक हैं, दोनों n और p। इलेक्ट्रॉनों n- प्रकार सेमीकंडक्टर के चालन बैंड से पी-प्रकार अर्धचालक के वैलेंस बैंड में माइग्रेट करते हैं।
संदर्भ
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