Chimica del veicolo - riassunto

Teoria delle bande di Bloch

Questa teoria è così solida che si può estendere da molecole a cristalli, dove avremo un numero di elettroni elevatissimo. Succede che i livelli energetici diventano tanti e si avvicinano tra di loro, al punto che si perde la discontinuità tipica degli elettroni nell'atomo. Quindi si raggiungono delle bande che mostrano una continuità energetica, si entra cioè nella fisica classica del continuo.

Nel caso del litio abbiamo l'orbitale 1s² pieno, quindi abbiamo una banda piena, il livello due invece è pieno a metà. Nel berillio il livello 1s² è pieno, 2s² è pieno, tuttavia sappiamo che si devono riempire i livelli energetici più bassi, e nel caso dei metalli è stato visto che la banda relativa agli orbitali p si sovrappone alla banda relativa agli s. Quindi gli elettroni riempiono fino ad un punto in cui si comincia a riempire la banda dei p, senza aver riempito

L’s.La banda che contiene gli elettroni di valenza, cioè la più bassa è detta banda di valenza, la banda che accoglierà gli elettroni che hanno un’energia incrementata dal campo elettrico esterno e vogliono muoversi in un continuo è detta banda di conduzione. Questa distribuzione è tipica dei metalli, cioè bande semipiene o bande sovrapposte semipiene.

25I SEMICONDUTTORI

La conduzione elettrica dei metalli può rifarsi alla fisica del continuo, dove per conduzione di elettricità si intendeva uno spostamento di uno o più elettroni in una zona di spazio che deve comprendere una parte qualsiasi del cristallo, con energia qualunque. Quindi immaginiamo che a causa di un campo elettrico esterno l’energia dell’elettrone può aumentare, quindi deve poter salire di livello energetico e trovarsi davanti a un continuo. Questo è possibile per un elettrone che si trova davanti a una banda vuota.

La teoria delle bande di Bloch esteso a materiali che non sono metalli descrive il comportamento elettrico dei materiali. Si ricorda che un conduttore presenta una banda di valenza semipiena, oppure una banda di valenza satura ma sovrapposta con bande vuote. La teoria delle bande si può applicare anche ai composti covalenti a struttura infinita (es. diamante, silice) o ai composti ionici (AgBr). Se questa definizione è possibile possiamo definire anche le bande per semiconduttori e isolanti.

In un isolante la banda di valenza è satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello, detto GAP, energetico molto elevato. Molto elevato significa che se termicamente devo spostare un elettrone dal punto in cui si trova sulla banda di valenza alla banda di conduzione, devo dare un'energia uguale all'intensità del legame covalente o ionico, significa che questo fonde. Una volta che è fuso la struttura non è più la stessa descritta dal

modello a bande, quindi salta il modello.

Nei semiconduttori la banda di valenza è satura e separata dalla banda di conduzione, tuttavia il GAP energetico è piccolo. Se gli elettroni non riescono a fare il salto per entrare in banda di conduzione, in cui troveranno tutto lo spazio disponibile per muoversi, il materiale si comporterà da isolante, altrimenti saranno conduttori.

Per fornire l'energia basta scaldare e la loro conducibilità aumenta all'aumentare di T, al contrario dei metalli, che più si scaldano meno conducono. Queste temperature non sono difficili di raggiungere, ad esempio nel caso del silicio si parla di 50°C, che non è affatto molto pensando che un corpo nero opaco al sole può arrivare a 72°C. Quindi possono diventare conduttori per irraggiamento (fotoconduzione) o per eccitazione termica (termoconduzione). Se non vogliamo dover gestire la conduzione elettrica con la temperatura, cosa alquanto difficile,

Sono lacune, queste lacune si spostano e la conduzione avviene per spostamento di lacune, non andiamo ad approfondire. Noi diremo solamente che siccome la banda di valenza si svuota, abbiamo la possibilità di far muovere gli elettroni di valenza trovando un continuo, ergo corrente elettrica della fisica classica.

Se negli stessi cristalli di silicio infiliamo ora un elemento del quinto gruppo, ad esempio l'arsenico, avremo che avendo 5 elettroni di valenza, questi si andranno a posizionare nel livello della banda di conduzione. Questi elettroni trovano tutti i livelli sovrastanti vuoti e sono livelli che descrivono moti su tutto il cristallo, o comunque su tutta la zona additivata di arsenico, quindi in quella zona avremo un conduttore. Siccome abbiamo un eccesso di carica negativa questo caso di conduzione si chiama conduzione di tipo n, n come negativo.

L'importante in questo processo è aggiungere un quantitativo di eteroatomi talmente basso da non alterare la

si sposta solo dalla zona drogata p verso la parte drogata n. Questo tipo di passaggio elettrico permesso in una sola direzione produce un effetto diodo, quindi raddrizza la corrente.

Notiamo che durante il passaggio da una zona all'altra, gli elettroni scendono di energia e sappiamo che gli elettroni emettono energia sotto forma di fotoni. Quando questo fotone è nell'infrarosso riscalda, quando è nel visibile illumina. Questo è il funzionamento dei fari a led. Quindi il diodo che emette luce, il cui acronimo è appunto L.E.D., light emitting diode, non è altro che una giunzione di tipo n-p. Non sono sempre a base di silicio, però ricordiamo che per ogni singola giunzione esiste un singolo sbalzo energetico di elettroni, quindi esiste l'emissione di un singolo fotone il quale è caratterizzato da una frequenza, cioè un colore. Per emettere luce bianca da un faro dovremo mettere insieme i colori che compongono la luce bianca.

Cioè quelli del segnale RGB, i colori base rosso verde blu. Poi si potranno ottenere colorazioni più giallastre, più bluette, ecc, dipenderà dalla quantità di led che emettono i singoli colori. Hanno un'emissione di calore nettamente minore delle lampade a incandescenza ma non nulla. Per cui anche all'interno di un microchip contenente silicio bisogna prestare attenzione alle temperature per evitare che una zona isolante diventi conduttrice.

I semiconduttori trovano applicazioni per:

• Diodi, transistor, circuiti integrati
• Fotorilevatori
• Laser
• Sensori (di pressione, campo magnetico, ecc.)
• Termometri
• Celle fotovoltaiche

I LEGAMI DEBOLI

Sono legami di minore intensità rispetto ai legami forti. Quindi osservando il grafico che mostra l'energia e la distanza internucleare, si nota che il legame debole è caratterizzato da un abbassamento di energia più piccolo rispetto a un legame forte.

Aggregazione delle sostanze. La molecola a noi più nota è l'acqua. Osservando il grafico che in ascissa porta il calore e in ordinata la temperatura, possiamo vedere il calore latente di fusione/ebollizione, che è la quantità di calore necessaria al sistema chimico affinché avvenga il passaggio di stato a temperatura costante. Quindi questo calore non va ad aumentare i moti delle particelle, ma andrà a rompere i legami deboli, legami che tengono insieme la materia allo stato solido, liquido e sono "quasi" inesistenti allo stato gassoso.

Osserviamo ora le temperature di ebollizione normale di alcune famiglie di sostanze chimiche in ordine di massa molecolare crescente. La linea verde mostra gli idruri del sesto gruppo. Troviamo una crescita uniforme dallo zolfo al tellurio, tuttavia l'acqua si trova molto più in alto. Lo stesso accade per gli idruri del settimo gruppo, in cui HF non è in linea con gli idruri del suo gruppo.