مقارنة بين الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات: النطاقات والحاملات

الخلاصة السريعة

فجوة الطاقة فرق بين حالات طاقة في المادة الصلبة؛ ليست فراغًا مكانيًا. ^[1]

• للفلز نطاق غير ممتلئ كليًا؛ للعازل فجوة أكبر نسبيًا، ولشبه الموصل إثارة أيسر إلى نطاق التوصيل. ^[1]
• توليد إلكترون في نطاق التوصيل يترك فجوة؛ في شبه الموصل الذاتي تنشأ الإلكترونات والفجوات بأعداد متساوية. ^[2]
• التطعيم: مانح كالفوسفور يزيد إلكترونات النوع n؛ ومستقبل كالبورون يزيد فجوات النوع p. ^[2][4]
• النوع n لا يعني أن قطعة السيليكون كلها مشحونة سالبًا؛ الحامل الغالب والتعادل الكلي معلومتان مختلفتان. ^[3]
• في رسمنا ذي خمسة مواضع وأربعة إلكترونات، انتقال إلكترون إلى الموضع الخالي ينقل الفجوة إلى موضعه السابق؛ يظل العد أربعة إلكترونات وفجوة واحدة.

كيف نقرأ نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل؟

في العرض المبسط، يلي نطاق التوصيل نطاق التكافؤ الممتلئ؛ للفلز حالات قريبة متاحة في نطاق غير ممتلئ كليًا. ^[1]

في العازل وشبه الموصل تفصل فجوة النطاقين؛ هي أكبر في الأول، وقد تثير الحرارة إلكترونات عبر فجوة الثاني. ^[1]

المحور الرأسي طاقة؛ المسافة بين الشريطين ليست فراغًا في البلورة.

اقرأ اسم المحور أولًا، ثم قارن الشريطين وفق الكمية التي يمثلها.

من أين تأتي الإلكترونات والفجوات؟

إذا انتقل إلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، ترك موضعًا غير مشغول يسمى فجوة. في المادة الذاتية يولد هذا الانتقال إلكترونًا وفجوة معًا. ^[2]

يملأ إلكترون الموضع الخالي، ويترك خلاءً خلفه؛ تتحرك الفجوة في الاتجاه المقابل للخطوة الإلكترونية. ^[4]

لا نضيف إلكترونًا جديدًا إلى العينة لمجرد إعادة تسمية موضعه. المصطلحان يساعدان على تتبع الحاملات، لكن العد يحتاج إلى أن نسأل أي انتقال أو إضافة حدث بالفعل.

ما الذي يغيره التطعيم من نوع n أو p؟

في السيليكون يعمل الفوسفور مانحًا، ويعمل البورون مستقبلًا؛ يزيد الأول الإلكترونات الحاملة، ويتيح الثاني الفجوات. لهذا نصف الحاملات الغالبة بالنوع n أو p. ^[4]

بالمقابل، يصف التعادل الكلي مجموع الشحنات. يمكن أن يكون شبه الموصل من نوع n متعادلًا، رغم أن غالبية حاملاته المتحركة إلكترونات سالبة. ^[3]

إذن كلمة «سالب» في شرح الحامل لا تجيب وحدها عن سؤال «هل العينة مشحونة؟». حدد أولًا إن كنت تعد الحاملات المتحركة أم تفحص محصلة الشحنات في المادة كلها.

في مسألة تقارن نوعين، اكتب اسم الحامل الغالب بجانب كل نوع قبل حلها: إلكترونات للنوع n، وفجوات للنوع p. لا تستبدل هذه العبارة بحكم عن شحنة القطعة كاملة.

مثال لتتبع موضع خالٍ

لدينا خمسة مواضع وأربعة إلكترونات. ينتقل إلكترون من الرابع إلى الخامس الخالي؛ فيصبح الرابع موضع الفجوة.

نعد قبل الخطوة: أربعة إلكترونات وفجوة واحدة. ونعد بعدها: أربعة إلكترونات وفجوة واحدة أيضًا. لم تتولد فجوة ثانية، ولم يختف إلكترون من المجموعة المرسومة.

في المقارنة المكانية تحرك الإلكترون خطوة إلى اليمين، بينما انتقل وصف الموضع الخالي خطوة إلى اليسار. تعين الأسهم الاتجاهين، لا سرعة حركة أو مسافة ذرية مقيسة.

الفائدة من المثال هي تتبع ما بقي ثابتًا وما تغير: عدد المواضع والإلكترونات بقي، وموضع الخلاء تغير. لا نستخرج منه تركيز تطعيم أو قيمة تيار من دون معطيات إضافية.