الشرائط الطاقية في البلورات

وفقاً لنظرية نيل بور الهيكل الذري، فإن جميع الذرات تمتلك مستويات طاقة منفصلة حول النواة المركزية (يمكن العثور على المزيد حول هذا الموضوع في المقال "مستويات الطاقة الذرية"). الآن دعنا نفكر في حالة حيث يتم وضع ذرتين أو أكثر بالقرب من بعضهما البعض. في هذه الحالة، يتحول هيكل مستويات الطاقة المنفصلة إلى بنية نطاقات الطاقة. أي أنه بدلاً من مستويات الطاقة المنفصلة، يمكن العثور على نطاقات طاقة منفصلة. السبب وراء تكون مثل هذه نطاقات الطاقة في البلورات هو التفاعل المتبادل بين الذرات وهو نتيجة للقوى الكهرومغناطيسية التي تعمل بينها.
يشير الشكل 1 إلى ترتيب مميز لهذه النطاقات الطاقة. هنا يمكن اعتبار نطاق الطاقة 1 مشابهاً للمستوى الطاقي E1 لذرة منعزلة ونطاق الطاقة 2 للمستوى E2 وهكذا دواليك.

هذا ما يعادل القول بأن الإلكترونات الأقرب إلى نواة الذرات المتفاعلة تشكل نطاق الطاقة 1 بينما تلك الموجودة في مداراتها الخارجية تؤدي إلى نطاقات طاقة أعلى.

في الواقع، يتكون كل من هذه النطاقات من مستويات طاقة متعددة متباعدة بشكل قريب جداً.

من الشكل، من الواضح أن عدد المستويات الطاقية التي تظهر في نطاق طاقة معين يزداد مع زيادة نطاق الطاقة المأخوذ في الاعتبار أي أن النطاق الثالث أعرض من الثاني الذي يعتبر أوسع عند مقارنته بالأول. بعد ذلك، يسمى الفضاء بين كل من هذه النطاقات بالنطاق المحظور أو فجوة النطاق (الشكل 1). بالإضافة إلى ذلك، يتم إجبار جميع الإلكترونات الموجودة داخل البلورة على التواجد في أحد نطاقات الطاقة. وهذا يعني أن الإلكترونات لا يمكن العثور عليها في منطقة فجوة النطاق الطاقي.

أنواع نطاقات الطاقة

نطاقات الطاقة في البلورة يمكن أن تكون من أنواع مختلفة. بعضها سيكون خالياً تماماً وبالتالي يُسمى بمدى الطاقة الخالي بينما سيكون بعضها الآخر ممتلئاً تماماً ويُسمى بمدى الطاقة الممتلئ. عادةً ما تكون نطاقات الطاقة الممتلئة هي المستويات الطاقية الدنيا التي تقع أقرب إلى نواة الذرة ولا تحتوي على إلكترونات حرة، مما يعني أنها لا تستطيع المشاركة في التوصيل. هناك أيضاً مجموعة أخرى من نطاقات الطاقة قد تكون مزيجاً من نطاقات الطاقة الخالية والممتلئة وتُسمى بمدى الطاقة المختلط.
ومع ذلك في مجال الإلكترونيات، يكون المرء مهتماً بشكل خاص بآلية التوصيل. ولذلك، هنا، يكتسب نوعان من نطاقات الطاقة أهمية قصوى. وهما

نطاق التكافؤ

يتكون هذا النطاق من الإلكترونات التكافؤية (الإلكترونات في المدار الخارجي للذرة) ويمكن أن يكون ممتلئاً كلياً أو جزئياً. وفي درجة حرارة الغرفة، هذا هو النطاق الطاقي الأعلى الذي يحتوي على الإلكترونات.

نطاق التوصيل

يُطلق على أقل نطاق طاقة والذي عادة ما يكون غير محتل بالإلكترونات في درجة حرارة الغرفة اسم نطاق التوصيل. يتكون هذا النطاق من الإلكترونات التي تكون خالية من قوة الجذب للنواة الذرية.
بشكل عام، نطاق التكافؤ هو نطاق طاقة أقل من نطاق التوصيل ويوجد أسفل نطاق التوصيل في مخطط نطاقات الطاقة (الشكل 2). تتواجد الإلكترونات في نطاق التكافؤ مرتبطة بشكل ضعيف بالنواة الذرية وتنتقل إلى نطاق التوصيل عندما يتم تحفيز المادة (مثلاً حرارياً).

أهمية نطاقات الطاقة

من المعروف أن التوصيل عبر المواد يحدث فقط بواسطة الإلكترونات الحرة الموجودة فيها. يمكن إعادة صياغة هذا الأمر من خلال نظرية نطاقات الطاقة كـ "الإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل هي الوحيدة التي تسهم في آلية التوصيل". ولذلك، يمكن تصنيف المواد إلى فئات مختلفة من خلال النظر إلى مخطط نطاقات الطاقة الخاص بها.
على سبيل المثال، إذا كان مخطط نطاقات الطاقة يظهر تداخلًا كبيرًا بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل (الشكل 3أ)، فإن هذا يعني أن المادة تحتوي على إلكترونات حرة وفيرة، مما يجعلها موصل جيد للتيار الكهربائي أي معدن.

من جهة أخرى، إذا كان لدينا مخطط نطاقات الطاقة يظهر فجوة كبيرة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل (الشكل 3ب)، فإن هذا يعني أنه يجب توفير مادة بكمية كبيرة من الطاقة حتى نحصل على نطاق توصيل ممتلئ. في بعض الأحيان، قد يكون هذا صعبًا أو حتى مستحيلًا عمليًا. وهذا سيترك نطاق التوصيل خاليًا من الإلكترونات، مما يجعل المادة غير قادرة على التوصيل. وبالتالي، ستكون هذه النوعية من المواد عازلات.
والآن، دعنا نفترض أن لدينا مادة تظهر فصلًا طفيفًا بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل كما هو موضح في الشكل 3ج. في هذه الحالة، يمكننا جعل الإلكترونات في نطاق التكافؤ تشغل نطاق التوصيل بتقديم كمية صغيرة من الطاقة. وهذا يعني أن رغم أن هذه المواد تكون عادة عازلات، إلا أنه يمكن تحويلها لتكون موصلة عن طريق تحفيزها خارجيًا. لذلك ستعتبر هذه المواد شبه موصلات.

بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى الاتصال لحذفه.