بنية نطاق إلكتروني

(تم التحويل من نطاق إلكتروني)

في فيزياء الجوامد يكون نطاق الطاقة هو مدى متصل من قيم الطاقة التي يمكن لإلكترون أن يشغلها في الذرة. ويمكن لهذه النطاقات أن تكون "نطاقات محرمة" (لا يمكن لإلكترون أن يشغلها ) أو "نطاقات مسموحة" (يمكن للإلكترون أن يشغلها)A.

يحدد نطاق الطاقة في المادة العديد من خصائصها الكيميائية والفيزيائية خاصة تلك التي تتعلق بالبنية الذرية و ببنيتها البللورية وخصائصها البصرية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المفاهيم الأساسية

 
شكل 1: مخطط مبسط يظهر نطاقات الطاقة للإلكترونيات في المعادن، أنصاف النواقل، والعوازل.

لأي مادة صلبة العديد من نطاقات الطاقة. نظريا فإنه من الممكن للذرة أن تمتلك عدد لا نهائي من مستويات الطاقة، إلا أن معظم هذه المستويات يقع في مستويات للطاقة تكون عالية بحيث إذا وصل إليها أي إلكترون فإنه سوف يهرب من المادة الصلبة، ولهذا فإن هذه النطاقات لا تأخذ بعين الاعتبار. لكل نطاق عرض نطاق مختلف حسب المدار الذري الذي تنتمي إليه، وقد تتراكب هذه النطاقات منتجة نطاق وحيد كبير. يظهر الشكل 1 شكل مبسط لنطاقات الطاقة في المواد الصلبة التي تعرف ثلاث أنواع من المواد، معادن وأنصاف نواقل وعوازل.

يكون للمعادن نطاق يكون جزئيا فارغ وجزئيا ممتلئ بغض النظر عن درجة الحرارة، ولهذا يكون لها ناقلية عالية.

أما المواد الصلبة الأخرى (عوازل أو أنصاف نواقل) فيكون فيها النطاق السفلي المشغول بالكامل بالإلكترونات، يدعى هذه النطاق باسم ""نطاق النقل" (conduction band) وتدعى الإلكترونات التي تشغل هذا النطاق باسم "إلكترونات النقل" (conduction band)(valence electrons). أما النطاق العلوي الذي تكون في معظمه غير مشغول فيدعى باسم "نطاق التكافؤ" (valence band) لأن الإلكترونات تتواجد فيه فقط عندما تكون المادة مثارة (بالتسخين مثلا) عندها تقوم هذه المواد بنقل التيار الكهربائي. يكون الفرق بين المواد العازلة وأنصاف النواقل هو أن فجوة الطاقة بين نطاق التكافؤ ونطاق النقل تكون أكبر في المواد العازلة منها في أنصاف النواقل، وبالتالي يكون من الصعب على الإلكترونات الانتقال إلى ذلك النطاق وبالمحصلة تكون الناقلية الكهربائية أضعف. من أهم العوامل التي تساعد الإلكترونات على الوصول إلى نطاق النقل هو الطاقة الحرارية، حيث أن ناقلية أنصاف النواقل تعتمد بشكل كبير على درجة حرارة المادة.


حزم الطاقة في المواد البلورية

ان الخواص الكهربائية والبصرية لاي مادة تحدد في ضوء تركيب حزم طاقتها ومدى انشغالها بالالكترونات واستنادا الى نظرية الحزم في المواد الصلبة فان الالكترونات ترتب نفسها ضمن انطقة او حزم تسمى انطقة الطاقة وتكون مفصولة بعضها عن بعض بمناطق طاقة ممنوعة Forbidden تمنع الالكترونات من الوجود فيها حيث ان البلورة تمتلك حزمة مكونة من عدد ضخم من مستويات الطاقة القريب بعضها من بعض, وان عدد هذه المستويات يساوي عدد الذرات في البلورة وعلية فان حزم الطاقة تظهر مستمرة.

ففي بلورة تضم N من الذرات فانة عند اقتراب هذة الذرات بعضها من البعض الاخر فان المستوي الواحد ينشطر الى N من المستويات المنفصلة والمتقاربة جدا بحيث تشكل فيما بينها حزماً متواصلة من مستويات الطاقة بسبب التداخل والالتحام الناتج عن ازدياد التقارب بين الذرات.عندما تقترب الذرات الى مسافة مساوية الى ثابت الشبيكة Lattice constant فان كل هذه الحزم ستنشطر ثانية الى حزمتين هما حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ تفصل بينهما منطقة فارغة من المستويات تدعى فجوة الطاقة الممنوعة او المحرمة كما في الشكل (1-2).

شكل (1-2): تكون حزم الطاقة في البلورة

حزم الطاقة في المواد غير المتبلورة

في المواد العشوائية حيث يفقد الترتيب الدوري فان عشوائية تركيب هذه المواد تبين من خلال مخطط كثافة مستويات الطاقة اذ ان حزمة الطاقة ستنقسم الى حزمتين احداهما حزمة للطاقة الممتدة التي تتعلق بترتيب المدى الطويل ويتاح فيها لحاملات الشحنات ان تتحرك في مسارات ممتدة خلال المادة والاخرى تمثل حزمة الطاقة الذيلية الموضعية والتي تتعلق بالعشوائية في التركيب والتي يمكن ان تتحرك خلالها حاملات الشحنة بالتنطط Hopping بين المواقع الذرية ويدعى حيز الطاقة الذي يفصل بين حزمة التوصيل الممتدة وحزمة التكافؤ الممتدة بالفجوة الحركية Mobility Gap والتي تكون خلالها تحركية حاملات الشحنة ضئيلة جدا. وهذه الفجوة تدعى ايضا بالفجوة الكاذبة(غير الحقيقية).