כימיה פיזיקלית 7
Download
Report
Transcript כימיה פיזיקלית 7
כימיה פיזיקלית 7
המבנה האלקטרוני של מוצקים
נושאי השיעור
מוליכים ,מבדדים ומוליכים למחצה
פס ערכיות ,פס הולכה ופער אנרגיה אסור
אכלוס אלקטרונים בפסים
תרכובות מוליכות למחצה
clarita/MorgueFile
המבנה האלקטרוני של חומרים מוצקים
מוליכים:
חומרים המסוגלים להעביר זרם חשמלי .לחומרים אלו אלה חלקיקים נושאי מטען ניידים
(אלקטרונים או יונים).
לדוגמה :מתכות ,תמיסות של חומרים יוניים קלי תמס ומלחים מותכים.
מבדדים:
חומרים שאינם מסוגלים להעביר זרם חשמלי.
לחומרים אלו כמות זניחה של חלקיקים נושאי מטען ניידים.
לדוגמה :קוורץ ,חומרים מולקולריים ,חומרים פלסטיים ומלחים מוצקים.
מוליכים למחצה (מל"מ):
חומרים שהמוליכות החשמלית שלהם היא בין זו של מוליכים לבין זו של מבדדים
(מוליכות חשמלית נמוכה).
לדוגמה :סיליקון ,Siגרמניום ,Geתרכובות כמו .InP ,GaP ,GaAs
מוצקים שמוליכים חשמל הם מתכות וגרפיט (חומר אטומרי).
הולכת החשמל בחומרים המוצקים היא בגלל אלקטרונים ניידים.
המבנה האלקטרוני של חומרים מוצקים
במצגת שבה למדנו על מולקולות אורגניות מצומדות ,ראינו כי ככל שמספר האורביטלים
שמחברים ומחסרים גדל ,רמות האנרגיה נעשות צפופות יותר ,כלומר הפרש האנרגיה בין
האורביטלים הנוצרים קטן.
אנרגיה
אנרגיה
אנרגיה
LUMO
LUMO
HOMO
HOMO
בסריג המוצק מספר עצום של אטומים ולכן מספר עצום של אורביטלים שאפשר לחבר ולחסר.
במקרה כזה ,רמות האנרגיה של האורביטלים הנוצרים ,לאחר החיבור והחיסור ,צפופות כל כך
שהן יוצרות פס אנרגיה רציף ). (Energy Band
קבוצת האורביטלים הגדולה שרמות האנרגיה שלהם יצרו את הפס נקראת חבורת
אורביטלים.
3
המבנה האלקטרוני של חומרים מוצקים -המשך
החלק בפס שמאוכלס באלקטרונים צבוע כאן בצבע תכלת.
אנרגיה
אורביטלים
לא מאוכלסים
פס אנרגיה
אורביטלים
מאוכלסים
הרבה מאד
//
6
5
4
3
2
1
מס' האורביטלים שחוברו וחוסרו
4
פסי אנרגיה ופערי אנרגיה אסורים
כל אורביטל אטומי באטום הבודד יחבור לאורביטלים בעלי אנרגיה דומה מהאטומים השכנים
ליצירת פס אנרגיה מתאים.
כך מתקבל פס הנוצר מחבורת אורביטלי ,1sפס אחר הנוצר מחבורת אורביטלי ,2sפס
הנוצר מחבורת אורביטלי 2pוכן הלאה.
מכיוון שלכל פס אנרגיה רוחב סופי ,יכולים להתקבל מרווחים בין פסי האנרגיה הנוצרים
מאורביטלים אטומיים מסוגים שונים (לדוגמה :רווח בין פס 1sופס .)2sמרווח בין פסי
האנרגיה נקרא פער אנרגיה אסור.
ההסתברות למצוא אלקטרונים בפער האנרגיה האסור זניחה.
במקרים אחרים ,הפסים המתקבלים מחבורות האורביטלים השונות (לדוגמה :חבורת 2p
וחבורת )2sחופפים ,ונוצר פס אנרגיה רציף אחד ,בלא פער אנרגיה אסור.
חפיפה בין פס האנרגיה
הנוצר מחבורת אורביטלי
2sופס האנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי 2p
פס אנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי 2p
פס אנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי 2s
5
מבנה סכמטי של הפסים בגביש של נתרן
חפיפה בין פס האנרגיה
הנוצר מחבורת אורביטלי
3sופס האנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי 3p
אנרגיה
פס אנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי –3p
הפס אינו מאוכלס
חפיפה בין פס האנרגיה
הנוצר מחבורת אורביטלי
2sופס האנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי 2p
פס אנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי –3s
הפס מאוכלס עד מחציתו
פער אנרגיה אסור
פס אנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי –2p
הפס מאוכלס כולו
פס אנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי –2s
הפס מאוכלס כולו
פער אנרגיה אסור
פס אנרגיה הנוצר
מחבורת אורביטלי –1s
הפס מאוכלס כולו
6
פס ערכיות ופס הולכה
פס האנרגיה הגבוה ביותר המאוכלס באלקטרונים נקרא פס הערכיות.
פס האנרגיה הנמוך ביותר שאינו מאוכלס באלקטרונים נקרא פס ההולכה.
אנרגיה
פס הולכה
פער אנרגיה אסור
פס ערכיות
פער אנרגיה אסור
7
מבנה הפסים של מוליך ,מבדד ומוליך למחצה
במוליכים פס הערכיות ופס ההולכה חופפים ואין ביניהם פער אנרגיה אסור .האלקטרונים
חופשיים לנוע בין הפסים.
במוליכים למחצה יש פער אנרגיה אסור קטן בין פס הערכיות לפס ההולכה .חימום יגרום
להגדלת האנרגיה הקינטית של האלקטרונים ויאפשר להם לעבור את פער האנרגיה האסור,
מפס הערכיות לפס ההולכה ,שם יוכלו לנוע בחופשיות .לכן ,בעקבות חימום המוליכות
החשמלית של מל"מ תעלה.
במבדדים יש פער אנרגיה אסור גדול בין פס הערכיות לפס ההולכה .האלקטרונים אינם יכולים
לעבור בקלות לפס ההולכה ולנוע בו בחופשיות.
אנרגיה
פער אנרגיה
אסור גדול
פער אנרגיה
אסור קטן
מבדד
מוליך למחצה
מוליך
8
אכלוס אלקטרונים בפסים
לפניכם שתי דיאגרמות של מבנה פסים של מוצק.
איזו מהדיאגרמות מתארת את מבנה הפסים של סריג מגננזיום המכיל Nאטומים?
אנרגיה
3Nאורביטלים
1Nאורביטלים
4Nאורביטלים
4Nאורביטלים
4Nאורביטלים
1Nאורביטלים
1Nאורביטלים
א
ב
9
אכלוס אלקטרונים בפסים -המשך
2
6
2
2
לאטום מגנזיום בודד 12אלקטרונים .אכלוס האלקטרונים הוא. 1s 2s 2p 3s :
ל N -אטומי מגנזיום 12Nאלקטרונים המאוכלסים בפסים על פי הפירוט הבא:
2Nאלקטרונים מאוכלסים בפס שנוצר ע"י חבורת אורביטלי .1s
לאכלוסם יש צורך ב N -אורביטלים (שכן בכל אורביטל אפשר לאכסן שני אלקטרונים).
2Nאלקטרונים מאוכלסים בפס שנוצר ע"י חבורת אורביטלי .2sלאכלוסם יש צורך בN -
אורביטלים.
6Nאלקטרונים מאוכלסים בפס שנוצר ע"י חבורת אורביטלי .2pלאכלוסם יש צורך ב3N -
אורביטלים.
2Nאלקטרונים מאוכלסים בפס שנוצר ע"י חבורת אורביטלי .3sלאכלוסם יש צורך בN -
אורביטלים.
הפס נוצר
מס' אלקטרונים
לאכלוס
מס' האורביטלים מהפס
הנחוצים לאכלוס
מחבורת אורביטלי 1s
2N
N
מחבורת אורביטלי 2s
2N
N
מחבורת אורביטלי 2p
6N
3N
מחבורת אורביטלי 3s
2N
N
10
אכלוס אלקטרונים בפסים -המשך
הפס נוצר
מס' אלקטרונים
לאכלוס
מס' האורביטלים מהפס
הנחוצים לאכלוס
מחבורת אורביטלי 1s
2N
N
מחבורת אורביטלי 2s
2N
N
מחבורת אורביטלי 2p
6N
3N
מחבורת אורביטלי 3s
2N
N
בדיאגרמה א' ,קיימת חפיפה מסוימת בין הפסים שנוצרו
מחבורת אורביטלי 2sו ,2p -והפסים התחברו לפס אחד
רציף.
הפס שנוצר מחבורת אורביטלי 3sמאוכלס לחלוטין ,ובינו לבין
הפס שמעליו ,שנוצר ע"י חבורת אורביטלי ,3pיש פער אנרגיה
אסור.
אנרגיה
3Nאורביטלים
1Nאורביטלים
4Nאורביטלים
1Nאורביטלים
דיאגרמה זו אינה מתאימה למגנזיום שהוא חומר מוליך.
א
11
אכלוס אלקטרונים בפסים -המשך
הפס נוצר
מס' אלקטרונים
לאכלוס
מס' האורביטלים מהפס
הנחוצים לאכלוס
מחבורת אורביטלי 1s
2N
N
מחבורת אורביטלי 2s
2N
N
מחבורת אורביטלי 2p
6N
3N
מחבורת אורביטלי 3s
2N
N
בדיאגרמה ב' ,קיימת חפיפה מסוימת בין הפסים שנוצרו
מחבורת אורביטלי 2sו ,2p -והפסים התחברו לפס אחד
רציף.
חפיפה דומה קיימת בין הפסים שנוצרו מחבורת אורביטלי 3s
ו.3p -
הפס שנוצר מחבורת אורביטלי 3sו 3p -מאוכלס רק בחלקו
(רבע ממנו) והאלקטרונים המאוכלסים בפס זה חופשיים לנוע
לאורביטלים הריקים שבחלק הפס שאינו מאוכלס.
אנרגיה
4Nאורביטלים
4Nאורביטלים
1Nאורביטלים
דיאגרמה זו מתאימה למגנזיום שהוא חומר מוליך.
ב
12
שאלה 1
שאלה :1
לפניכם שתי דיאגרמות של מבנה פסים של מוצק.
איזו מהדיאגרמות מתארת את מבנה הפסים ברמה האחרונה של סריג סיליקון (צורן) המכיל
Nאטומים?
אנרגיה
אנרגיה
2Nאורביטלים
3Nאורביטלים
2Nאורביטלים
1Nאורביטלים
ב
א
13
תשובה לשאלה 1
שאלה :1
לפניכם שתי דיאגרמות של מבנה פסים של מוצק.
איזו מהדיאגרמות מתארת את מבנה הפסים של הרמה האחרונה בלבד של סריג סיליקון
(צורן) המכיל Nאטומים?
תשובה:
לאטום סיליקון בודד 14אלקטרונים ,מהם ארבעה ברמה האחרונה
(רמה . 1s2 2s2 2p6 3s2 3p 2 :)3הסיליקון הוא מוליך למחצה.
אנרגיה
ל N -אטומי סיליקון 4Nאלקטרונים ברמות האחרונות.
כדי לאכלסם יש צורך ב 2N -אורביטלים.
בדיאגרמה א' ,הפס התחתון מאוכלס לחלוטין ,וכן מאוכלס
שליש מהפס העליון.
שני שלישים מהפס אינם מאוכלסים ,והאלקטרונים יכולים
לנוע בחופשיות בפס.
מבנה פסים זה מתאים לחומר מוליך ולא למוליך למחצה
כמו הסיליקון.
3Nאורביטלים
1Nאורביטלים
א
14
המשך תשובה לשאלה 1
שאלה :1
לפניכם שתי דיאגרמות של מבנה פסים של מוצק.
איזו מהדיאגרמות מתארת את מבנה הפסים ברמה האחרונה של סריג סיליקון (צורן) המכיל
Nאטומים?
תשובה:
בדיאגרמה ב' ,הפס התחתון מאוכלס לחלוטין (פס
ערכיות) ,והפס העליון אינו מאוכלס באלקטרונים
(פס הולכה).
אנרגיה
2Nאורביטלים
ביו שני הפסים יש פער אנרגיה אסור קטן.
מבנה פסים זה מתאים לחומר מוליך למחצה
כמו הסיליקון.
2Nאורביטלים
ב
15
תרכובות מוליכות למחצה
יש מוליכים למחצה שהם תרכובות ולא יסודות.
דוגמאות לתרכובות מוליכות למחצה .GaSb ,GaP ,GaAs :תרכובות אלו מכילות ,בדרך
כלל ,יסוד מטור 3ויסוד מטור .5
בסדרת תרכובות זו היסוד גליום ( )Gaויסוד נוסף.
כדי לדרג את התרכובות על פי ההולכה החשמלית שלהם ,ניעזר בטבלת האלקטרושליליות:
טבלת אלקטרושליליות
תרכובות מוליכות למחצה -המשך
נחשב את ההפרש באלקטרושליליות בין שני היסודות שבכל תרכובת:
2.1-1.6=0.5 :GaP
2.0-1.6=0.4 :GaAs
1.9-1.6=0.3 :GaSb
ככל שההפרש בא"ש גדול יותר ,האופי היוני של התרכובת גדל (כזכור ,מלימוד "מבנה
וקישור" ,חומרים יוניים מוצקים אינם מוליכים חשמל) .כשהאופי היוני גדל ,המוליכות
החשמלית של התרכובת קטנה ,ופער האנרגיה האסור גדול יותר.
לכן ,דירוג החומרים על פי המוליכות החשמלית שלהם יהיה:
GaSb > GaAs > GaP
טבלת אלקטרושליליות
שאלה 2
שאלה :2
באיזו מהטבלאות הבאות נתונים נכונים על פער האנרגיה האסור של שתי התרכובות
המוליכות למחצה? נמקו.
התרכובת
פער האנרגיה
האסור ()eV
התרכובת
פער האנרגיה
האסור ()eV
AlAs
2.89
AlAs
2.28
InAs
2.28
InAs
2.89
1
2
18
תשובה לשאלה 2
שאלה :2
באיזו מהטבלאות הבאות נתונים נכונים על פער האנרגיה האסור של שתי התרכובות
המוליכות למחצה? נמקו.
תשובה:
נסתכל על נתוני האלקטרושליליות:
טבלת אלקטרושליליות
19
המשך תשובה לשאלה 2
שאלה :2
באיזו מהטבלאות הבאות נתונים נכונים על פער האנרגיה האסור של שתי התרכובות
המוליכות למחצה? נמקו.
תשובה:
נחשב את ההפרש באלקטרושליליות בעבור כל אחת מהתרכובות:
2.0-1.5=0.5 :AlAs
2.0-1.7=0.3 :InAs
בתרכובת AlAsהפרש גדול יותר באלקטרושליליות ,אופי יוני גדול יותר ,מוליכות חשמלית
קטנה יותר ופער אנרגיה אסור גדול יותר.
לכן הטבלה שבה שהנתונים בה נכונים היא הטבלה הראשונה:
התרכובת
פער האנרגיה
האסור ()eV
AlAs
2.89
InAs
2.28
פתרו את שאלות 1ו 4-בעמ' 107-108ואת שאלה 4בעמ' 91בספר "כימיה מכל וחול".
20
סיכום
בסריג מוצק מחברים ומחסרים אורביטלים של אטומים רבים .רמות האנרגיה של
האורביטלים הנוצרים צפופות ויוצרות פס אנרגיה רציף.
פסי אנרגיה סמוכים (לדוגמה :מחבורת אורביטלי 2sו(2p -יכולים לעיתים לחפוף חלקית
וליצור פס אנרגיה אחד .במקרים אחרים יהיה בין הפסים פער אנרגיה אסור ,שההסתברות
למצוא בו אלקטרונים זניחה.
פס האנרגיה הגבוה ביותר המאוכלס באלקטרונים נקרא פס ערכיות .פס האנרגיה הנמוך
ביותר שאינו מאוכלס באלקטרונים נקרא פס הולכה.
במוליכים פס הערכיות ופס ההולכה חופפים חלקית זה את זה .במבדדים יש פער אנרגיה
אסור גדול בין פס הערכיות לפס ההולכה .במוליכים למחצה יש פער אנרגיה אסור קטן בין
פס הערכיות לפס ההולכה.
בתרכובות מוליכות למחצה ,ככל שההפרש בא"ש בין היסודות שבתרכובת גדול יותר ,פער
האנרגיה האסור גדול יותר והמוליכות החשמלית של התרכובת נמוכה יותר.
מושגים חשובים:
מוליך ,מבדד ,מוליך למחצה (מל"מ) ,פס ערכיות ,פס הולכה ,פער אנרגיה אסור.
21