Electron hóa trị liên quan liên kết silicon thế nào?

• Ví dụ nguyên tử đồng với một electron ngoài cùng
• Nguyên tử silicon: bốn electron hóa trị
• Electron lỏng lẻo dễ rời đi thành electron tự do

Bạn sẽ học được gì

• Nói được electron hóa trị là gì và vì sao số lượng của chúng quan trọng.
• Mô tả cách một nguyên tử silicon liên kết với bốn nguyên tử láng giềng.
• Giải thích điều xảy ra khi liên kết bị phá hoặc khi pha tạp.

Cần biết trước

Chỉ cần biết nguyên tử có hạt nhân và các electron xếp theo lớp. Không cần công thức.

Electron hóa trị là gì?

Electron hóa trị là electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử. Bài giảng điện tử của Đại học Harvey Mudd lấy đồng làm ví dụ: nguyên tử đồng chỉ có một electron ở lớp ngoài cùng. Electron này liên kết lỏng lẻo với nguyên tử, nên dễ trở thành electron tự do chuyển động được khi có điện áp.

Chất cách điện ở thái cực ngược lại. Theo bài giảng, chúng không dẫn điện vì trong vật liệu không có electron tự do. Bán dẫn nằm giữa hai nhóm này, và số electron hóa trị là một phần lý do.

• Lớp trong chỉ vẽ quy ước
• Lớp ngoài cùng
• Electron hóa trị

Liên kết của silicon được tạo ra thế nào?

Silicon góp chung electron hóa trị với láng giềng. Bài giảng của Harvey Mudd ghi rằng các nguyên tố có bốn electron hóa trị trong nhóm carbon dẫn điện kém hơn chất dẫn điện nhưng tốt hơn chất cách điện, và được gọi là bán dẫn. Silicon và germanium đều có bốn electron hóa trị.

Trong mạng tinh thể của chúng, mỗi nguyên tử góp một electron hóa trị cho mỗi nguyên tử trong bốn nguyên tử láng giềng để tạo liên kết cộng hóa trị. Mạng có dạng tứ diện. Mỗi nguyên tử vừa góp electron, vừa nhận electron góp lại từ láng giềng.

• Nguyên tử silicon ở giữa
• Bốn nguyên tử láng giềng
• Cặp electron góp chung giữa hai nguyên tử

Liên kết bị phá hoặc thay đổi thì sao?

Liên kết cộng hóa trị có thể bị phá. Nếu một electron nhận đủ năng lượng nhiệt, nó có thể phá liên kết và thành electron tự do tích điện âm. Chỗ nó rời đi để lại một lỗ trống tích điện dương. Ở nhiệt độ phòng, tương đối ít electron nhận đủ năng lượng như vậy, nên độ dẫn điện của silicon thuần thấp.

• Liên kết bị phá
• Electron tự do thoát ra
• Lỗ trống để lại

Cách thứ hai là pha tạp, tức thêm một nguyên tố tạp chất có ba hoặc năm electron hóa trị. Nguyên tử cho có năm electron hóa trị dùng bốn electron để tạo liên kết và để lại một electron tự do dư, tạo bán dẫn loại N. Nguyên tử nhận chỉ có ba electron hóa trị tạo ba liên kết và để lại một lỗ trống trong mạng, tạo bán dẫn loại P.

• Nguyên tử cho: dư một electron
• Electron tự do dư
• Nguyên tử nhận: thiếu một electron
• Lỗ trống trong mạng

Ví dụ trong đời sống

Hãy dùng một mô hình gồm các viên đất nặn và que nối. Đặt một viên ở giữa, nối nó với bốn viên xung quanh để nhớ số láng giềng của silicon. Mỗi que tượng trưng cho một liên kết dùng chung; que không phải đường electron chạy qua. Muốn mô tả electron rời liên kết, dùng một hạt rời và đánh dấu chỗ thiếu trên mô hình.

Phép so sánh chỉ để nhớ. Trong mô hình minh họa, nếu một nguyên tử tạp chất góp đủ electron cho các liên kết mà vẫn còn một electron dư, nó giống nguyên tử cho hay nguyên tử nhận? Đó là nguyên tử cho; electron dư giúp phân biệt nó với nguyên tử nhận để lại lỗ trống.

Hiểu lầm thường gặp

Electron hóa trị không phải mọi electron của nguyên tử. Đó chỉ là những electron ở lớp ngoài cùng.

Liên kết cộng hóa trị không phải electron của một nguyên tử bị lấy mất. Các electron được góp chung giữa hai nguyên tử.

Lỗ trống không phải một hạt có sẵn. Nó là chỗ một electron rời đi, tích điện dương.

Câu hỏi thường gặp

Silicon có bao nhiêu electron hóa trị?

Bốn. Germanium cũng có bốn electron hóa trị.

Vì sao silicon thuần dẫn điện kém?

Ở nhiệt độ phòng, tương đối ít electron nhận đủ năng lượng để phá liên kết và thành electron tự do.

Pha tạp N và P khác nhau thế nào?

Pha tạp N dùng nguyên tử có năm electron hóa trị, để lại một electron tự do dư. Pha tạp P dùng nguyên tử có ba electron hóa trị, để lại một lỗ trống.

Tóm tắt

• Electron hóa trị là electron lớp ngoài cùng, và silicon có bốn electron như vậy.
• Mỗi nguyên tử silicon góp một electron với mỗi nguyên tử trong bốn láng giềng để tạo liên kết cộng hóa trị.
• Phá liên kết hay pha tạp đều tạo ra electron tự do hoặc lỗ trống.