Vùng hóa trị và vùng dẫn biểu diễn điều gì?

• Vùng dẫn
• Vùng hóa trị
• Vùng cấm

Bạn sẽ học được gì

• Giải thích vì sao năng lượng electron trong chất rắn tạo thành các vùng.
• Phân biệt vùng hóa trị với vùng dẫn và nêu điều kiện để electron lên vùng dẫn.
• Nối electron ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị với việc dẫn điện.

Cần biết trước

Không cần kiến thức trước. Hình vẽ ở đây là bức tranh đơn giản; tài liệu nguồn cũng nói nó chỉ nêu những nét chính.

Vì sao năng lượng electron tạo thành vùng?

Vì khi các nguyên tử liên kết với nhau, mức năng lượng của electron không còn là những mức rời nhau. Theo bài giảng về vùng năng lượng của Đại học Cambridge, nếu N obitan hóa trị cùng mức năng lượng kết hợp thành liên kết thì sinh ra N mức năng lượng. Các mức này không trùng nhau mà dàn ra thành vùng năng lượng.

Electron không thể có giá trị năng lượng nằm ngoài các vùng này. Trong mỗi vùng, các mức rất sát nhau, nên đôi khi người ta xem chúng như liên tục. Thực ra vùng gồm một số hữu hạn các mức rất gần nhau.

• Mức đơn
• Dải cao
• Dải thấp
• Khoảng không có mức

Vùng hóa trị và vùng dẫn là gì?

Trong bức tranh đơn giản, vùng hóa trị là vùng liên kết và vùng dẫn là vùng đối liên kết. Khi mỗi nguyên tử đóng góp một electron cho mỗi obitan, vùng hóa trị đầy hoàn toàn còn vùng dẫn trống.

Một electron chỉ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn khi nhận năng lượng ít nhất bằng độ rộng vùng cấm. Việc này có thể xảy ra, chẳng hạn, khi electron hấp thụ một photon đủ năng lượng. Vùng cấm là hiệu năng lượng giữa trạng thái bị chiếm cao nhất trong vùng hóa trị và trạng thái trống thấp nhất trong vùng dẫn.

• Electron ở vùng dẫn
• Lỗ trống ở vùng hóa trị

Vùng dẫn và vùng hóa trị liên quan thế nào đến dẫn điện?

Với silicon và germanium, một electron nhận đủ năng lượng nhiệt có thể phá liên kết cộng hóa trị, thành electron tự do mang điện âm và để lại một chỗ trống, hay lỗ trống, mang điện dương, theo bài giảng về vật liệu bán dẫn của Harvey Mudd College. Ngưỡng năng lượng là 1,1 eV với silicon và 0,7 eV với germanium.

Trong điện trường, cả electron tự do lẫn lỗ trống đều góp phần dẫn điện. Electron tự do tương ứng với electron ở vùng dẫn, còn lỗ trống là chỗ trống để lại trong vùng hóa trị.

• Tinh thể
• Electron tự do và lỗ trống

Ví dụ trong đời sống

Hãy nghĩ tới một tòa nhà hai tầng có sàn. Mọi người đứng ở tầng dưới, tầng trên còn trống. Để lên tầng trên, mỗi người cần leo một chiều cao nhất định, không thể lơ lửng giữa hai tầng. Tầng dưới là vùng hóa trị, tầng trên là vùng dẫn, còn chiều cao phải leo là vùng cấm.

Đây chỉ là phép so sánh để nhớ. Electron không leo cầu thang, nó nhận năng lượng.

Hiểu lầm thường gặp

Vùng không phải một vị trí trong không gian. Nó là một dải năng lượng mà electron được phép có.

Không phải vùng nào cũng đầy hoặc trống như hình. Đó là bức tranh đơn giản khi mỗi nguyên tử đóng góp một electron cho mỗi obitan; ở kim loại đơn giản, vùng hóa trị không đầy.

Lỗ trống không phải hạt thật bay trong tinh thể. Đó là chỗ trống electron để lại, và chuyển động của nó có thể mô tả như một hạt mang điện dương.

Câu hỏi thường gặp

Vùng hóa trị là gì?

Là dải năng lượng thấp hơn, ứng với các obitan liên kết, đầy electron trong bức tranh đơn giản.

Vùng dẫn là gì?

Là dải năng lượng cao hơn, ứng với các obitan đối liên kết, trống trong bức tranh đơn giản; electron lên được đó thì góp phần dẫn điện.

Vùng cấm là gì?

Là hiệu năng lượng giữa trạng thái bị chiếm cao nhất của vùng hóa trị và trạng thái trống thấp nhất của vùng dẫn.

Tóm tắt

• Các mức năng lượng của electron trong chất rắn dàn thành vùng; electron không có năng lượng nằm ngoài vùng.
• Vùng hóa trị đầy, vùng dẫn trống trong bức tranh đơn giản; electron lên vùng dẫn khi nhận năng lượng ít nhất bằng vùng cấm.
• Electron ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị đều góp phần dẫn điện.