Valensi dan Struktur Kristal

Valensi: Elektron di kulit terluar, atau kulit valensi, dikenal sebagai valensi elektron. Elektron valensi ini bertanggung jawab atas sifat kimia dari unsur-unsur kimia. Elektron inilah yang berpartisipasi dalam reaksi kimia dengan unsur lain. Aturan kimia yang terlalu disederhanakan berlaku untuk reaksi sederhana adalah bahwa atom mencoba untuk membentuk kulit terluar lengkap dari 8 elektron (dua untuk kulit L). Atom dapat memberikan beberapa elektron untuk mengekspos kulit lengkap yang mendasarinya. Atom dapat menerima beberapa elektron untuk melengkapi kulitnya. Kedua proses ini membentuk ion dari atom. Atom bahkan dapat berbagi elektron di antara atom dalam upaya untuk melengkapi kulit terluar. Proses ini membentuk ikatan molekul. Artinya, atom-atom berasosiasi membentuk molekul

Konduktor

Misalnya unsur golongan I:Li, Na, K, Cu, Ag, dan Au memiliki elektron valensi tunggal. (Gambar di bawah) Semua unsur ini memiliki sifat kimia yang serupa. Atom-atom ini dengan mudah melepaskan satu elektron untuk bereaksi dengan unsur-unsur lain. Kemampuan untuk melepaskan elektron dengan mudah membuat unsur-unsur ini menjadi konduktor yang sangat baik.

Tabel periodik unsur golongan IA:Li, Na, dan K, dan unsur golongan IB:Cu, Ag, dan Au memiliki satu elektron di kulit terluar, atau valensi, yang siap disumbangkan. Elektron kulit dalam:Untuk n=1, 2, 3, 4; 2n ² =2, 8, 18, 32.

Isolator

Unsur golongan VIIA:Fl, Cl, Br, dan I semuanya memiliki 7 elektron di kulit terluar. Unsur-unsur ini siap menerima elektron untuk mengisi kulit terluar dengan 8 elektron penuh. (Gambar di bawah) Jika unsur-unsur ini menerima elektron, ion negatif terbentuk dari atom netral. Unsur-unsur yang tidak melepaskan elektron ini adalah isolator.

Tabel periodik unsur golongan VIIA:F, Cl, Br, dan I dengan elektron valensi 7 siap menerima elektron dalam reaksi dengan unsur lain.

Misalnya, atom Cl menerima elektron dari atom Na menjadi Cl ^- ion seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini. Sebuah ion adalah partikel bermuatan yang terbentuk dari atom dengan menyumbangkan atau menerima elektron. Ketika atom Na menyumbangkan elektron, ia menjadi ion Na +. Beginilah cara atom Na dan Cl bergabung membentuk NaCl, garam dapur, yang sebenarnya adalah Na ⁺ Kl ^- , sepasang ion. Na ⁺ dan Kl ^- membawa muatan yang berlawanan, menarik satu sama lain.

Atom Natrium Netral menyumbangkan elektron ke atom Klorin netral membentuk Na + dan Kl - ion.

Natrium klorida mengkristal dalam struktur kubik yang ditunjukkan pada Gambar di bawah. Model ini tidak untuk skala untuk menunjukkan struktur tiga dimensi. Na ⁺ Kl ^- ion sebenarnya dikemas mirip dengan lapisan kelereng bertumpuk. Struktur kristal kubik yang mudah digambar menggambarkan bahwa kristal padat mungkin mengandung partikel bermuatan.

Unsur Golongan VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe semuanya memiliki 8 elektron pada kulit valensi. (Gambar di bawah) Artinya, kulit valensi lengkap artinya unsur-unsur ini tidak menyumbangkan atau menerima elektron. Mereka juga tidak siap berpartisipasi dalam reaksi kimia karena unsur golongan VIIIA tidak mudah bergabung dengan unsur lain. Dalam beberapa tahun terakhir ahli kimia telah memaksa Xe dan Kr untuk membentuk beberapa senyawa, namun, untuk tujuan diskusi kita, ini tidak berlaku. Elemen-elemen ini adalah isolator listrik yang baik dan merupakan gas pada suhu kamar.

Elemen Golongan VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe sebagian besar tidak reaktif karena kulit valensinya lengkap.

Semikonduktor

Unsur golongan IVA:C, Si, Ge, memiliki 4 elektron pada kulit valensi seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini membentuk senyawa dengan berbagi elektron dengan unsur lain tanpa membentuk ion. Ikatan elektron bersama ini dikenal sebagai ikatan kovalen . Perhatikan bahwa atom pusat (dan yang lainnya dengan ekstensi) telah menyelesaikan kulit valensinya dengan berbagi elektron. Perhatikan bahwa gambar tersebut adalah representasi ikatan 2-d, yang sebenarnya adalah 3-d. Grup inilah, IVA, yang kami minati karena sifat semikonduktornya.

(a) Unsur golongan IVA:C, Si, Ge memiliki 4 elektron pada kulit valensi, (b) melengkapi kulit valensi dengan berbagi elektron dengan unsur lain.

Struktur kristal: Sebagian besar zat anorganik membentuk atom (atau ion) mereka menjadi susunan teratur yang dikenal sebagai kristal . Awan elektron terluar atom berinteraksi secara teratur. Bahkan logam terdiri dari kristal pada tingkat mikroskopis. Jika sampel logam diberi poles optik, kemudian digores dengan asam, mikroskop mikrokristalin struktur menunjukkan seperti pada Gambar di bawah ini. Dimungkinkan juga untuk membeli, dengan biaya yang cukup besar, spesimen kristal tunggal logam dari pemasok khusus. Pemolesan dan pengetsaan spesimen semacam itu tidak mengungkapkan struktur mikrokristalin. Hampir semua logam industri adalah polikristalin. Sebagian besar semikonduktor modern, di sisi lain, adalah perangkat kristal tunggal. Kami terutama tertarik pada struktur monokristalin.

(a) Sampel logam, (b) dipoles, (c) asam tergores untuk menunjukkan struktur mikrokristalin.

Banyak logam lunak dan mudah berubah bentuk dengan berbagai teknik pengerjaan logam. Mikrokristal berubah bentuk dalam pengerjaan logam. Juga, elektron valensi bebas bergerak di sekitar kisi kristal, dan dari kristal ke kristal. Elektron valensi bukan milik atom tertentu, tetapi milik semua atom.

Struktur kristal kaku pada Gambar di bawah ini terdiri dari pola berulang secara teratur dari ion Na positif dan ion Cl negatif. Atom Na dan Cl membentuk Na ⁺ dan Kl ^- ion dengan mentransfer elektron dari Na ke Cl, tanpa elektron bebas. Elektron tidak bebas bergerak di sekitar kisi kristal, suatu perbedaan dibandingkan dengan logam. Ion juga tidak bebas. Ion tetap di tempat dalam struktur kristal. Padahal, ion bebas bergerak jika kristal NaCl dilarutkan dalam air. Namun, kristal itu tidak ada lagi. Struktur yang teratur dan berulang telah hilang. Penguapan endapan air Na ⁺ dan Kl ^- ion-ion dalam bentuk kristal baru karena ion-ion yang bermuatan berlawanan saling tarik-menarik. Bahan ionik membentuk struktur kristal karena gaya tarik elektrostatik yang kuat dari ion yang bermuatan berlawanan.

Kristal NaCl memiliki str kubik Semikonduktor di Grup 14 (sebelumnya bagian dari Grup IV) membentuk pola ikatan tetrahedral menggunakan elektron orbital s dan p di sekitar atom, berbagi ikatan pasangan elektron dengan empat atom yang berdekatan. (Gambar di bawah (a) ). Unsur golongan 14 memiliki empat elektron terluar:dua di orbital s berbentuk bola dan dua di orbital p. Salah satu orbital p kosong. Ketiga orbital p berhibridisasi dengan orbital s membentuk empat sp ³ orbital molekul. Awan empat elektron ini saling tolak hingga jarak tetrahedral yang sama terhadap atom Si, tertarik oleh inti positif seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah.

Satu elektron orbital s dan tiga elektron orbital p berhibridisasi, membentuk empat sp ³ orbital molekul.

Setiap atom semikonduktor, Si, Ge, atau C (berlian) secara kimia terikat pada empat atom lain melalui ikatan kovalen , ikatan elektron bersama. Dua elektron dapat berbagi orbital jika masing-masing memiliki bilangan kuantum spin yang berlawanan. Dengan demikian, elektron yang tidak berpasangan dapat berbagi orbital dengan elektron dari atom lain. Ini sesuai dengan Gambar yang tumpang tindih di bawah (a) dari awan elektron, atau ikatan. Gambar di bawah (b) adalah seperempat dari volume sel unit struktur kristal berlian yang ditunjukkan pada Gambar di bawah di titik asal. Ikatan khususnya kuat pada intan, penurunan kekuatannya menuruni golongan IV menjadi silikon, dan germanium. Silikon dan germanium keduanya membentuk kristal dengan struktur berlian.

(a) Ikatan tetrahedral atom Si. (b) mengarah ke 1/4 sel satuan kubik

Berlian sel satuan adalah blok bangunan kristal dasar. Gambar di bawah menunjukkan empat atom (gelap) yang terikat pada empat atom lainnya di dalam volume sel. Ini sama dengan menempatkan salah satu Gambar di atas(b) pada titik asal pada Gambar di bawah, kemudian menempatkan tiga lagi pada permukaan yang berdekatan untuk mengisi kubus penuh. Enam atom jatuh di tengah masing-masing dari enam wajah kubus, menunjukkan dua ikatan. Dua ikatan lainnya pada kubus yang berdekatan dihilangkan untuk kejelasan. Dari delapan sudut kubus, empat atom berikatan dengan atom di dalam kubus. Di mana empat atom lainnya terikat? Empat lainnya berikatan dengan kubus kristal yang berdekatan. Ingatlah bahwa meskipun empat atom sudut tidak menunjukkan ikatan dalam kubus, semua atom di dalam kristal terikat dalam satu molekul raksasa. Kristal semikonduktor dibuat dari salinan sel satuan ini.

Si, Ge, dan C (berlian) membentuk kubus berpusat muka yang disisipkan.

Kristal secara efektif adalah satu molekul. Sebuah atom berikatan kovalen dengan empat atom lainnya, yang selanjutnya berikatan dengan empat atom lainnya, dan seterusnya. Kisi kristal relatif kaku menahan deformasi. Beberapa elektron membebaskan diri untuk konduksi tentang kristal. Sifat semikonduktor adalah begitu elektron dibebaskan, ruang kosong bermuatan positif berkembang yang juga berkontribusi pada konduksi.

TINJAUAN

• Atom mencoba membentuk valensi terluar yang lengkap, kulit dengan 8 elektron (2 elektron untuk kulit terdalam). Atom dapat menyumbangkan beberapa elektron untuk mengekspos kulit 8 di bawahnya, menerima beberapa elektron untuk melengkapi kulit, atau berbagi elektron untuk melengkapi kulit.
• Atom sering membentuk susunan ion atau atom yang teratur dalam struktur kaku yang dikenal sebagai kristal.
• Atom netral dapat membentuk ion positif dengan menyumbangkan elektron.
• Atom netral dapat membentuk ion negatif dengan menerima elektron
• Semikonduktor golongan IVA:C, Si, Ge mengkristal menjadi struktur berlian. Setiap atom dalam kristal adalah bagian dari molekul raksasa, yang mengikat empat atom lainnya.
• Sebagian besar perangkat semikonduktor dibuat dari kristal tunggal.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konduksi Listrik pada Semikonduktor