أن من أهم الشروط الواجب توافرها لحدوث عملية التوصيل الكهربائي هو وجود أجسام مشحونة (Charged species) التي تعمل على أساس ناقلات الشحنة تنتقل خلال المادة نتيجة لتأثير الاختلاف في الجهد. ان ناقلات الشحنة ممكن ان تكون ايونية وعندئذ تكون التوصيلة ايونية (Ionic conduction) وعندما تكون ناقلات الشحنة الكترونات تكون التوصيلية الكترونية ( Electronic conduction) ⁽¹⁾ .

التوصيلية الكهربائية حسب قانون أوم (Ohm’s law) :-

V = RI   ---- (1.2)

   حيث ان :-                                                                                   

V                      : الفولتية المسلطة(Volt) .                                                                            R:  المقاومة(Ohm) .

         I: التيار(Amper) .

ان معكوس المقاومة(R^-1) يطلق عليه بالتوصيل (Conductance) ومما هو جدير بالذكر ان بعض المواد تظهر انحرافا عن قانون أوم ومثال على ذلك، الأنابيب المفرغة (Vaccumtubes) وأشباه الموصلات والموصلات أحادية البعد مثل سلسلة البولين الخطية. وعليه فبالنسبة للمواد الاومية فان المقاومة (R) تتناسب تناسبا طردياً مع طول النموذج (L) وعكسيا مع مساحة المقطع العرضي (A) .

R=ρL/A  ---- (2.2)

 حيث ان :-

      ρ:- هي المقاومة النوعية (Resistivity) وتقاس بوحدة (Ω.cm) وهي معكوس التوصيلية  σ=ρ^-1 .

وتعتمد التوصيلية الكهربائية على عدد ناقلات الشحنة (n) وعلى الانتقالية μ (Mobility) أي كيفية تحركها خلال المادة بسرعة معينة ⁽²⁾.

 σ =nμe   ---- (3.2)                                      

حيث ان:- e شحنة الالكترون.

يضاف الى المعادلة (3.2) مصطلح يطلق عليه ناقلات  الشحنة الموجبة  الفجوات أو (الكاتيونات) في حالة أشباه الموصلات والمحاليل الالكتروليتية.

تصنف المواد  الصلبة  بالاعتماد على صفاتها الكهربائية الى اربع مجاميع ⁽²⁾ :-

1. الموصلات أو الفلزات(Conductors) حيث تمتلك توصيلية كهربائية قيمتها اكبر                 من 10³ ohm.cm^-1 .

2. العوازل (Insulators) التي تمتلك توصيلة واطئة تترواح بين10^-12-10^-22 ohm^-1.cm^-1.

3. أشباه الموصلات(Semiconductors) التي تكون توصليتها متوسطة بين الموصلات والعوازل.                                                    

4. الموصلات الفائقة (Superconductors)، تفقد الفلزات مقاومتها لمرور التيار الكهربائي عند درجات الحرارة الواطئة وتصبح موصلات فائقة ويمكن ان تصل قيمة توصيلها الى10²⁰ ohm^-1.cm^-1 .                                                          

تعتمد التوصيلية الكهربائية على درجة الحرارة حيث تزداد التوصيلية الكهربائية مع نقصان الحرارة بالنسبة (للموصلات)، وتنخفض التوصيلية الكهربائية مع نقصان الحرارة بالنسبة لأشباه الموصلات والعوازل ^(4,3) .                                        

ومن اجل فهم الصفات الكهربائية للمادة وكيفية حصول التوصيل الكهربائي يجب من خلالها التعرف على مستويات الطاقة والتوزيع الالكتروني في هذه المستويات، اذ أن الغلاف الخارجي في المواد يحتوي على الكترونات تعرف بالكترونات التكافؤ وهذه الالكترونات تستقر في حزمة تدعى بحزمة التكافؤ(Valance band) التي تعرف بحالات الطاقة الواطئة.

 ولكي تحدث عملية التوصيل الكهربائي فانه يجب ان يمتلك الالكترون طاقة كافية لكي يرتقى الى حزمة التوصيل (Conduction band) التي تعرف بحالات الطاقة العالية.  وان  الفرق  في  الطاقة  بين  حزمتي التوصيل والتكافؤ يطلق  عليه بفجوة  الطاقة (Energy gap) ويرمز لها بـ ΔΕ)  ( ، وقيمتها هي التي تحدد الصفات الكهربائية للمواد كما هو موضح في الشكل (2.2). فبالنسبة للفلزات ⁽⁵⁾ فالالكترونات موزعة بشكل متساوي تقريبا بين حزمتي التكافؤ والتوصيل بدرجات الحرارة الاعتيادية، وهذا يعني بأن فجوة الطاقة تكون قليلة جدا والالكترونات تمر بسهولة الى حزمة التوصيل، أما بالنسبة للعوزال فالفرق في الطاقة بين تلك الحزمتين يكون كبير وعبور الالكترون الى حزمة التوصيل يكون غير ممكن. ولكن مع أشباه الموصلات تكون فجوة الطاقة لهذه المواد اكبر مما هو عليه في الفلزات ولهذا فهي تمتلك توصيلة كهربائية اقل.

 في أشباه الموصلات كل الكترون يتهيج من حزمة التكافؤ الى حزمة التوصيل سوف يولد فراغ في حزمة التكافؤ ويسمى هذا الفراغ بالفجوة الموجبة(Positive hole)  والتوصيل الناتج عن هذه الفجوات يسمى بالتوصيل الموجب (p-type). اما التوصيل الناشئ عن الالكترونات في حزمة التوصيل يسمى بالتوصيل السالب (n-type).            

وبناءاً على ماذكر فان حوامل الشحنة في أشباه الموصلات هي الالكترونات والفجوات حيث تمتلك شحنتين متعاكستين فضلا^ً عن انتقاليين مختلفين.          

--------------------------------------------------------------

1-F. Gutmann and l. E. Iyons, “Organic Semiconductors”, John Wiley and Sons, Inc., (1967), P. 2.

2- H. G. Elias, “Macromolecular”, Vol. 1, Plenumm Press, New York (1984), p. 479.

3- S. Roth, Materials Science Forum., 42, 1-16, (1989).

4- G. Wegner, Angew. Chem. Int. Ed., 20, 362 (1981).

5-L. Solymar, “Electrical Properties of Materials”, 6^th Ed., Oxford University Press, (1997), Chap. 7.