¿Por qué los elementos no metálicos con bandas de valencia parcialmente llenas no son conductores?

A lo largo de toda esta pregunta, me referiré únicamente a sólidos de un solo elemento. De acuerdo con la teoría de bandas, las bandas ns y np tienen una energía lo suficientemente cercana como para superponerse y crear una banda con 8N estados disponibles para llenar. Esta banda luego se divide en dos bandas de 4N cuando aumenta la distancia interatómica entre los átomos en el sólido.

Fuente: https://csclub.uwaterloo.ca/~matedesc/figures/diamond-crystal-spacing.png

Este modelo explica por qué el diamante es un aislante. Un solo átomo de carbono tiene cuatro electrones de valencia, por lo que N átomos de carbono tendrán 4N de ellos. Estos electrones llenan completamente la banda inferior de 4N (en este caso, la banda de valencia), lo que significa que el diamante no puede conducir la electricidad en condiciones normales.

Sin embargo, no entiendo por qué elementos como el boro, el nitrógeno, el oxígeno y el flúor no pueden hacerlo. En el boro, habría 3N estados llenos con N estados vacíos restantes. En el nitrógeno, habría estados de 5N y la mayor de las bandas de 4N comenzaría a llenarse, dejando otros 3N estados vacíos para la conducción. Lo mismo ocurre con todos los elementos no metálicos que no están en el grupo 14 o 18. ¿Por qué, entonces, se los considera semiconductores o aislantes a pesar de que tienen estados vacíos en sus bandas de valencia, que es una condición para la conductividad? ?

Respuestas (3)

La explicación de la banda parcialmente llena del comportamiento del conductor frente al aislador no es convincente. Por ejemplo, tanto el silicio sólido como el amorfo son semiconductores, mientras que el silicio amorfo no tiene simetría de traducción.

Una mejor descripción de la física subyacente es el modelo de Hubbard. Básicamente establece que los conductores tienen orbitales de valencia deslocalizados y los aisladores los tienen localizados. Que se produzca localización o deslocalización depende de la relación entre la repulsión in situ y los elementos de la matriz de salto. Un factor importante es el número de vecinos más cercanos. Por ejemplo, el silicio sólido es un semiconductor, mientras que el silicio líquido es un metal.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Hubbard_modelo

Además, se debe considerar toda la estructura cristalina (y la estructura de banda implícita). El boro en particular tiene estructuras cristalinas decididamente extrañas con átomos scads (50-100) en una celda unitaria, muy diferentes de cosas como Cu o Al.

La clave es la cantidad de energía necesaria para sacar un electrón de su orbital y hacerlo móvil.

En un conductor, los electrones ya están ahí, típicamente deslocalizados en un estado de menor energía (es decir, liberarlos realmente libera energía).

En un semiconductor existe una pequeña brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción.

Los elementos puros como el boro, el nitrógeno, el oxígeno y el flúor se unen covalentemente en moléculas, sin electrones libres ni red cristalina en la que se puedan formar "agujeros". La energía (banda prohibida, por así decirlo) requerida para ionizar un átomo es comparativamente grande. Eso es suficiente para garantizar que la sustancia esté en estado gaseoso que, cuando se ioniza, se conoce como plasma. Dichos plasmas se producen en tubos fluorescentes de "neón", relámpagos, etc.

Tenga en cuenta que ciertos compuestos de estos elementos, como el nitruro de boro compuesto III-V, forman semiconductores cristalinos.

No se trata de orbital o banda total o parcialmente llenos como usted dice, sino de cuánta energía se necesita para causar conductancia y llamamos la brecha de energía entre la banda conductora y la de valencia. Si la brecha es grande, se necesita más energía para ionizar o conducir.

¿Por qué los elementos no metálicos con bandas de valencia parcialmente llenas no son conductores?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v