Atomun Yapısı
Resim 1: Bohr atom modeline göre bir helyum atomunun yapısı
Resim 1: Bohr atom modeline göre bir helyum atomunun yapısı
Atomun Yapısı
Bir atom elektron, proton ve nötronlardan meydana gelir. Bir elemanda bulunan elektron, proton ve nötronlar başka bir elemanda bulunanlar ile aynıdır. Değişik elemanlar arasındaki fark, bu elemanlarda bulunan elektron ve proton sayıları, ve bunların dizilişi ile ilgilidir.
Elektron küçük bir negatif elektrik yüküne sahiptir. Protonun ise, elektronun sahip olduğu elektrik yüküyle aynı büyüklükte pozitif bir yükü bulunur. Proton elektronla aynı büyüklükte elektrik yüküne sahip olmasına rağmen, kütlesi elektronunkinden 1827 kat daha büyüktür. Bir çok atomda nötron denen, kütlesi protonunkine yakın büyüklükte, elektrik yükü bulunmayan parçacıklar vardır.
Bir minyatür güneş sisteminde olduğu gibi elektron, proton ve nötronlar Bohr atom modeline uygun olarak dizilirler. Resim. 1 de bir helyum atomu görülüyor. İki adet pozitif yüklü proton ve iki adet nötronun bulunduğu çekirdek etrafında dönen iki adet negatif yüklü hafif elektronlar hep birlikte bir atomu oluşturur. Elektronlar atom çekirdeğine yörünge denen belirli bir uzaklıkta bulunurlar ve protonların çekim kuvvetini yenmeye yeten bir merkezcil kuvveti (centrifugal force) yaratacak bir hızla dönerler. Elektronlar bulundukları seviyede kalabilmeleri için belirli bir miktar potansiyel enerjiye sahip olmaları gerekir. Elektronlar çekirdekten daha uzak farklı bir enerji seviyesine geçmek için, uzay gemilerinde olduğu gibi, bir ilave enerjiye ihtiyaç duyarlar. Atom çekirdeği etrafında dönen bir elektronun belirli bir yörüngeden diğerine geçebilmesi için belirli bir kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Bu enerjiye elektronun enerji seviyesi denir. Çok uzak bir yörüngedeki bir elektronun, çekirdeğe daha yakın bir yörüngeye inmesi sırasında enerjisini salması gerekir. Tam tersine daha uzak, yani bir üst yörüngeye çıkabilmesi için harici bir enerjiyi alması gerekir.
Atom çekirdeği etrafında dönen elektronların yörüngeleri hiç bir zaman rasgele değildir, aksine bu aralık, belirlenmiş enerji seviyesine bağlıdır. Bu değişik enerji seviyeleri, çekirdeğin etrafında dönen birbirine geçmiş farklı büyüklüklerde kabuklar (shell) gibi düşünülebilir. Bu kabuklar ve bu kabuklarda bulunan elektronların sayısı Pauli dışarlama prensibi ile tayin edilir. Bu prensibe göre; kabuklar, ve bunlarda bulunması gereken elektron sayıları aşağıdadır:
Resim 2: Bohr atom modeline göre bir bakır atomunun yapısı
|K-kabuğu||2 elektron||(n=1)|
|L-kabuğu||8 elektron||(n=2)|
|M-kabuğu||18 elektron||(n=3)|
|N-kabuğu||32 elektron||(n=4)|
Çizelge 1: Kabuklarda bulunması mümkün olabilen elektron sayıları
Ana kuantum sayısı n olan bir kabukta genel olarak 2·n2 adet elektron bulunur. Örneğin, 2. kabuk 2·22 yani 8 elektron bulunur. Önceleri sadece biçimsel bir sınıflandırma sistemi olarak bakılan periyodik sistem elemanları artık Bohr atom modeli sayesinde fiziksel olarakta açıklanabiliyor.
Enerji bantları modeli
Bir atomik kabuğa dizilmiş elektronlar belirli bir enerji seviyesine sahiptir. Çekirdekten uzaklaşıldıkça bir elektronun enerji seviyesi artar. Bir elektronun enerjisi elektrik alanları, ısı veya ışık biçiminde olabilir. Eğer elektronların enerji seviyeleri, bu elektronları yörüngede kalmasını sağlayan çekirdeğin pozitif yükünden daha büyük ise, bu elektronlar atomdan koparlar ve serbest elektronlar haline gelirler. Bu serbest elektronlar, valans elektronları olarakta anılan kabuk elektronlarına göre çok fazla enerjiye sahiptir.
Resim 3: Bir yarıiletkenin enerji bant modeli (katkısız yarıiletken)
Resim 3: Bir yarıiletkenin enerji bant modeli (katkısız yarıiletken)
Elektriksel iletim olaylarını, elektronların mümkün olan değişik enerji durumlarının yer aldığı bir enerji şeması ile açıklayabiliriz. Valans elektronları valans bandında, iletim elektronları ise iletim bandında bulunurlar. İki bant arasındaki enerji farkına bant aralığı adı verilir.
Valans elektronların kopabilmesi için varlığı gerekli olan bir minimum enerji nedeniyle, bir normal kafesten gelen hareketli yük taşıyıcılarının EV valans bandı ve EL iletim bandı arasındaki bölgede bulunan E enerji bölgesinde yer almaları mümkün değildir. Bu enerji bölgesi „yasak bölge” olarak adlandırılır.
İletim bandı ve valans bandına ait enerji şeması yardımıyla elektriksel iletim olaylarını açıklayan modele bantlar-modeli denilir. İletim bandı ile valans bandı arasındaki ΔE enerji farkı yalıtkan, yarıiletken ve iletkeni karakterize eden önemli bir büyüklüktür. Resim. 4 te yalıtkan (1), yarıiletken (2) ve iletkene (3) ait farklı büyüklükteki yasak bölgeler görülüyor.
bölge
Resim 4: Bantlar-modeli
Yalıtkanlarda bant aralığı çok geniştir. Bant aralığı arttıkça bir valans elektronunun serbest bir iletim elektronuna dönüşebilmesi için daha fazla enerji gerekir. Yani, çok küçük bir akım için bile daha fazla enerji gerektiğinde bu eleman daha iyi yalıtır. Yasak bölge keza bu elemanda çok geniştir.
Bir yarıiletkende bu yasak bölge daha dardır. Bir miktar ısı enerjisi verilmesi bile bir akım yaratabilir. Örneğin, germanyum yarıiletkende 50° sıcaklık belirgin bir akımın akmasına neden olur.
Son diyagramda iletim bandına kadar ulaşan bir valans bandını görülüyor. Pratik olarak yasak bölge mevcut değildir. Ufak bir enerji uyartımı ile valans elektronları iletim elektronlarına dönüşen bu eleman iyi bir iletkendir.