العازلات وأشباه الموصلات والموصلات

تنقسم المواد من حيث التوصيل الكهربائي إلى أقسام ثلاث هي العازلات وأشباه الموصلات والموصلات، وذلك تبعاً لتركيب شرائح الطاقة لهذه المادة. ولو نظرنا إلى الشكل 1ج نجد أن القطاع السفلي به N من الطاقات (السويات) يحتلها 2N من الإلكترونات وهو لا يتسع لأكثر من هذا العدد من الإلكترونات ولذلك فهو يسمى قطاع ممتلي كذلك القطاع الثاني به  N من السويات ويحتله 2N من الإلكترونات وهو لا يتسع لأكثر من ذلك فهو الآخر قطاع ممتلي. وأما لقطاع لعلوي ففيه 2N من السويات أو 6N من السويات الفرعية ويمكن أن يسكنه 6N من الإلكترونات ، في حين أن عدد الإلكترونات الموجودة فعلاً هي 2N ، وبذلك يتسع هذا القطاع إلى 4N من لإلكترونات . ولذلك يحدد هذا القطاع تكافؤ العنصر ويسمى بقطاع التكافؤ. وواضح أن التكافؤ في هذا الشكل رباعي (الكربون رباعي التكافؤ) . كذلك توجد قطاعات أعلى يطلق عليها إسم قطاع لإثارة الغير محتل وهو القطاع الذي ينتج عند إنتقال الإلكترون من السوية 2P إلى السوية 3S في حالة الكربون. ويطلق على هذا القطاع إسم آخر هو قطاع التوصيل أو القطاع الفارغ .

الشكل (1)

أ- العازلات

في العازلات نجد أن الفرق في الطاقة بين قطاع التكافؤ وقطاع التوصيل كبير نسبيا فمثلا في حالة الماس. نجد أن هذا الفرق (أي عرض القطاع المحظور) يساوي حوالي ٦,٢ إلكترون فولت. ولكي ينتقل إلكترون من قطاع التكافؤ الى قطاع التوصيل يجب منحه قيمة من الطاقة تساوي ٦,٢ أ. ف أو أكثر. فإذا إستخدمنا مجالاً كهربياً لمنح الإلكترون في الماس هذه الطاقة فإننا نحتاج إلى مجال شدته حوالي ^٨-١٠×٦,٢ فولت/سم (إذا إعتبرنا أن نصف قطر الذرة في حدود 10^-8 سم). ولذلك فإنه لا يمكن منح الإلكترون هذه الطاقة وبذلك نجد أن الماس من العازلات الجيدة. ويبين شكل (2أ)كيفية تتابع قطاعات الطاقة في الماس .

ب- أشباه الموصلات

جميع المواد التي يكون عرض القطاع المحظور بها صغير (حوالي واحد إلكترون فولت) تسمى بأشباه الموصلات (أنظر شكل 2 ب) فمثلاً الجرافيت (صورة بلورية أخرى للكربون) يعتبر مادة شبة موصلة. وأهم المواد المعروفة كأشباه موصلات هي الجرامانيوم وتركيبة الذري هو 1S²2S²2P⁶3S²3P⁶3d¹⁰4S²4P³ وهو رباعي التكافؤ وعرض القطاع المحظور بين قطاع التكافؤ وقطاع التوصيل ٠,٧٥ إلكترون فولت. كذلك السليكون Si وتركيبه الذري هو1S²2S²2P⁶3S²3P² وعرض القطاع المحظور فيه١,٢ أ.ف. ويجب الذكر أن عرض القطاع المحظور يعتمد على درجة الحرارة. والقيم التي أوردناها لعرض القطاع هي عند الصفر المطلق. وعند زيادة درجة الحرارة نجد أن بعض إلكترونات التكافؤ تكتسب طاقة حرارية أكبر من عرض القطاع المحظور وبذلك ينتقل الإلكترون من قطاع التكافؤ إلى قطاع التوصيل ، ويتوفر في المادة عدد من الإلكترونات الحرة التي يمكن أن تتحرك وتؤدي إلى سريان تيار كهربي حتى لوكان الجهد المؤثر صغير جدا .

ج- الموصلات

في جميع المعادن نجد أن تركيب لقطاعات يتميز بعدم وجود قطاع محظور بين قطاع التكافؤ وقطاع التوصيل أي أن قطاع التكافؤ يتداخل مع قطاع التوصيل كما هو مبين في الشكل 2 ج . وبذلك نجد أن إلكترونات التكافؤ تكون هي ذاتها الكترونات التوصيل , وفي حالة وجود مجال كهربي ما تكتسب هذه الإلكترونات طاقة إضافية وتنتقل بيسر وسهولة بين سويات الطاقة المختلفة