الدرس: 6-4 حزم الطاقة في المواد الصلبة

تقسم الذرة إلى مناطق تسمى حزم الطاقة اذكرها؟ وبماذا تمتاز كل منطقة؟

1. حزمة التكافؤ وتمتاز بـ: تحتوي مستويات طاقة مسموح بها طاقتها واطئة، تكون معلومة كلياً أو جزئياً بالإلكترونات ولا يمكن أن تكون خالية من الإلكترونات، إلكتروناتها تسمى إلكترونات التكافؤ، ولا يمكن أن تنتقل هذه الإلكترونات بين الذرات المتجاورة فهي ترتبط بالنواة بقوى كبيرة نسبياً.

2. حزمة التوصيل: وتمتاز بـ: تحتوي مستويات طاقة مسموحاً بها ذات طاقة عالية إلكتروناتها تسمى إلكترونات التوصيل ويمكنها الانتقال بسهولة لتشارك في عملية التوصيل الكهربائي في العوازل وأشباه الموصلات (عدا الموصلات) يفصل بين حزمني التكافؤ والتوصيل فجوة (ثغرة الطاقة المحظورة).

ما المقصود بـ (ثغرة الطاقة المحظورة)؟ وبماذا تمتاز؟

هي منطقة تقع بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل لا تحتوى مستويات مسموح بها ولا تسمح للإلكترونات أن تشغلها فهي:

لا تحتوي مستويات طاقة مسموحاً بها (ولا تسمح للإلكترونات أن تشغلها).

كل إلكترون لكي ينتقل من حزمة التكافؤ إلى حزمة التوصيل عبر ثغرة الطاقة المحظورة يتطلب أن يكتسب طاقة كافية من مصدر خارجي مقدارها لا يقل عن مقدار ثغرة الطاقة المحظورة يتطلب أن يكتسب طاقة كافية من مصدر خارجي مقدارها لا يقل عن مقدار ثغرة الطاقة المحظورة.

بما تمتاز حزم الطاقة في المواد:

1. الموصلة.

2. المواد العازلة.

3. المواد شبه الموصلة؟

علل: تقل قابلية التوصيل الكهربائي في المواد الموصلة (المعادن) بارتفاع درجة حرارتها؟

نتيجة لازدياد مقاومتها الكهربائية وذلك لازدياد المعدل الزمني للطاقة الاهتزازية للذرات أو الجزيئات.

تحت أي ظروف تسلك أشباه الموصلات سلوك السوائل؟ وبماذا تمتاز حزم الطاقة عند هذه الظروف؟

تسلك أشباه الموصلات سلوك العوازل عند الدرجات الحرارية المنخفضة جداً (المقاربة الصفر) - وفي انعدام الضوء، وتمتاز حزم الطاقة لها في هذه الظروف بأنها:

• حزمة التكافؤ تكون مملوءة بإلكترونات التكافؤ.
• حزمة التوصيل خالية من الإلكترونات.
• ثغرة الطاقة المحظورة ضيقة نسبياً.

هل تمتلك المعادن قابلية توصيل عالية؟ وضح ذلك؟ ما سبب كون المعادن تمتلك قابلية توصيل عالية؟

نعم تمتلك قابلية توصيل عالية وسبب ذلك:

1. تتداخل حزمة التكافؤ مع حزمة التوصيل.
2. تنعدم ثغرة الطاقة المحظورة بين حزمتي التكافؤ والتوصيل.

المادة العازلة لا تمتلك قابلية التوصيل الكهربائي، علل ذلك؟

لأن ثغرة الطاقة المحظورة في العوازل كبيرة نسبياً الإلكترونات في حزمة التكافؤ تحتاج إلى طاقة كبيرة تفوق ثغرة الطاقة المحظورة لتعبر إلى حزمة التوصيل.

ما تأثير ارتفاع درجة الحرارة في قابلية التوصيل الكهربائي للموصلات وأشباه الموصلات؟ وضح ذلك؟

• في الموصلات: نقل قابلية التوصيل الكهربائي بسبب زيادة المقاومة الكهربائية.
• في أشباه الموصلات: تزداد قابلية التوصيل الكهربائي بسبب زيادة تركيز تولد الأزواج (إلكترون - فجوة).

ماذا يحصل عند تسليط مجال كهربائي كبير المقدار على المادة العازلة، أو عند تعرضها لتأثير حراري كبير؟ ولماذا؟

يحصل انهيار للعازل وينساب فيه تيار صغير جداً، لأن ثغرة الطاقة المحظورة في العوازل كبيرة نسبياً (بحدود 5ev أو أكثر) والإلكترونات في حزمة التكافؤ تحتاج إلى طاقة كبيرة تفوق ثغرة الطاقة.