10.1 : أساسيات أشباه الموصلات

تتمتع الذرات المعزولة بمستويات طاقة منفصلة تم وصفها جيدًا بواسطة نموذج بور. ويقيس طاقة الإلكترون في ذرة الهيدروجين باسم E_n. تنتج الأعداد الكمومية الأعلى مستويات طاقة إلكترونية أقل سلبية وأقرب.

تشكيل الفرقة:

عندما تقترب الذرات من بعضها البعض، كما هو الحال في المواد الصلبة، تبدأ مستويات الطاقة المنفصلة هذه في الانقسام بسبب تداخل مدارات الإلكترون من الذرات المجاورة. يحدث هذا الانقسام بسبب مبدأ استبعاد باولي، الذي ينص على أنه لا يمكن لإلكترونين أن يشغلا نفس الحالة الكمية في نفس الوقت. ومع اندماج المزيد من الذرات، يزداد عدد مستويات الطاقة المنفصلة، ويصبح الانقسام دقيقًا جدًا بحيث يشكل نطاق طاقة مستمرًا. عند نقطة معينة، تُعرف باسم المسافة بين الذرية المتوازنة، تصبح هذه النطاقات هي نطاق التكافؤ المملوء بالإلكترونات، ونطاق التوصيل، الذي يكون فارغًا عند درجة حرارة الصفر المطلق.

نطاقات الطاقة في أشباه الموصلات:

يكون هيكل نطاق الطاقة أكثر تعقيدًا في أشباه الموصلات مثل السيليكون الذي يحتوي على 14 إلكترونًا. تشغل الإلكترونات العشرة الداخلية مستويات الطاقة العميقة ولا تساهم في الترابط. تحدد إلكترونات التكافؤ الأربعة المتبقية، الموجودة في المدارين الفرعيين 3s و3p، الخواص الكيميائية والكهربائية للمادة. عندما تشكل ذرات السيليكون شبكة بلورية، تتداخل الطبقات الفرعية 3s و3p وتشكل نطاقات. عند مسافة التوازن في البلورة، تحتوي هذه النطاقات على حالات 4N لنطاق التكافؤ، وحالات 4N لنطاق التوصيل، حيث N هو عدد ذرات السيليكون.

يعد حجم فجوة النطاق أمرًا بالغ الأهمية لأنه يحدد مدى سهولة تحفيز الإلكترونات في نطاق التوصيل. فجوة النطاق هذه صغيرة بما يكفي لأشباه الموصلات التي يمكن للطاقة الحرارية أو الضوء أن تثير الإلكترونات عبر الفجوة، مما يؤدي إلى التوصيل الكهربائي.