صفحة 225 - كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

القريبة جداً بعضها إلى بعض، التي لا تبدو منفصلة، ولكنها تظهر كحزم طاقة، وحزم الطاقة ذات مستويات الطاقة الدنيا أو حزم التكافؤ تكون مملوءة بإلكترونات مرتبطة في البلورة، أما مستويات الطاقة العليا أو حزم التوصيل فيكون انتقال الإلكترونات فيها من ذرة إلى أخرى متاحاً.

لاحظ من الشكل 2-8 أن الفواصل الذرية للسيليكون البلوري والكربون البلوري (الألماس) تتحول إلى حزم تكافؤ وحزم توصيل يفصل بعضها عن بعض فجوات طاقة. ولا يوجد في هذه الفجوات مستويات طاقة متاحة للإلكترونات، لذا تسمى هذه الفجوات مناطق الطاقة الممنوعة أو المحظورة. ويسمى هذا الوصف لحزمي التكافؤ والتوصيل المنفصلتين بفجوات الطاقة الممنوعة نظرية الأحزمة للمواد الصلبة، ويمكن استخدامها من أجل فهم أفضل للتوصيل الكهربائي. فمثلاً يشير الشكل 2-8 إلى حالة الكربون البلوري (التركيب الماسي)، مقارنة بالسيليكون. ويعد الكربون في شكله الجرافيتي موصلاً جيداً؛ لأن ترتيب الذرات فيه يمنحه فجوة طاقة أقل مقارنة بحالة الماس.

وللسيليكون البلوري فجوة طاقة صغيرة مقارنة بفجوة الطاقة للماس. وعند درجة حرارة الصفر المطلق تكون حزمة تكافؤ السيليكون مملوءة كلياً بالإلكترونات، وتكون حزمة التوصيل فارغة تماماً. أما عند درجة حرارة الغرفة، فيكون لعدد معين من الإلكترونات التكافؤ طاقة حرارية كافية لتفوز هذه الإلكترونات عن الفجوة eV 1.1 لتصل إلى حزمة التوصيل، وتكون نواقل للشحنة. وعندما تزداد درجة الحرارة، وتكتسب المزيد من الإلكترونات طاقة كافية للقفز عن الفجوة، تزداد موصلية السيليكون. وللجرمانيوم فجوة طاقة مقدارها eV 0.7، وهي أقل من فجوة طاقة السيليكون، وهذا يعني أن الجرمانيوم أكثر موصلية من السيليكون عند أي درجة حرارة، ويكتسب المزيد من الإلكترونات طاقة كافية للقفز عن الفجوة، تزداد موصلية السيليكون. وهذا يعني أيضاً أن الجرمانيوم أكثر موصلية من السيليكون عند أي درجة حرارة، وتسبب التغيرات الطفيفة نسبياً في درجة الحرارة تغيرات كبيرة في موصلية الجرمانيوم، مما يجعل عملية ضبط الدوائر الكهربائية واستقرارها أمراً صعباً.

وللرصاص فراغات تبلغ 0.27mm بين ذرته، وهذا من شأنه أن يقود إلى أن الرصاص موصل جيداً، وهو كذلك فعلاً وتعد المواد التي يوجد فيها تداخل فيما بين حزمها المملوءة جزئياً مواد موصلة كما في الشكل 8-3.

القريبة جداً بعضها إلى بعض، التي لا تبدو منفصلة، ولكنها تظهر كحزم طاقة، وحزم الطاقة ذات مستويات الطاقة الدنيا أو حزم التكافؤ تكون مملوءة بإلكترونات مرتبطة في البلورة، أما مستويات الطاقة العليا أو حزم التوصيل فيكون انتقال الإلكترونات فيها من ذرة إلى أخرى متاحاً. لاحظ من الشكل 2-8 أن الفواصل الذرية للسيليكون البلوري والكربون البلوري (الألماس) تتحول إلى حزم تكافؤ وحزم توصيل يفصل بعضها عن بعض فجوات طاقة. ولا يوجد في هذه الفجوات مستويات طاقة متاحة للإلكترونات، لذا تسمى هذه الفجوات مناطق الطاقة الممنوعة أو المحظورة. ويسمى هذا الوصف لحزمي التكافؤ والتوصيل المنفصلتين بفجوات الطاقة الممنوعة نظرية الأحزمة للمواد الصلبة، ويمكن استخدامها من أجل فهم أفضل للتوصيل الكهربائي. فمثلاً يشير الشكل 2-8 إلى حالة الكربون البلوري (التركيب الماسي)، مقارنة بالسيليكون. ويعد الكربون في شكله الجرافيتي موصلاً جيداً؛ لأن ترتيب الذرات فيه يمنحه فجوة طاقة أقل مقارنة بحالة الماس. وللسيليكون البلوري فجوة طاقة صغيرة مقارنة بفجوة الطاقة للماس. وعند درجة حرارة الصفر المطلق تكون حزمة تكافؤ السيليكون مملوءة كلياً بالإلكترونات، وتكون حزمة التوصيل فارغة تماماً. أما عند درجة حرارة الغرفة، فيكون لعدد معين من الإلكترونات التكافؤ طاقة حرارية كافية لتفوز هذه الإلكترونات عن الفجوة eV 1.1 لتصل إلى حزمة التوصيل، وتكون نواقل للشحنة. وعندما تزداد درجة الحرارة، وتكتسب المزيد من الإلكترونات طاقة كافية للقفز عن الفجوة، تزداد موصلية السيليكون. وللجرمانيوم فجوة طاقة مقدارها eV 0.7، وهي أقل من فجوة طاقة السيليكون، وهذا يعني أن الجرمانيوم أكثر موصلية من السيليكون عند أي درجة حرارة، ويكتسب المزيد من الإلكترونات طاقة كافية للقفز عن الفجوة، تزداد موصلية السيليكون. وهذا يعني أيضاً أن الجرمانيوم أكثر موصلية من السيليكون عند أي درجة حرارة، وتسبب التغيرات الطفيفة نسبياً في درجة الحرارة تغيرات كبيرة في موصلية الجرمانيوم، مما يجعل عملية ضبط الدوائر الكهربائية واستقرارها أمراً صعباً. وللرصاص فراغات تبلغ 0.27mm بين ذرته، وهذا من شأنه أن يقود إلى أن الرصاص موصل جيداً، وهو كذلك فعلاً وتعد المواد التي يوجد فيها تداخل فيما بين حزمها المملوءة جزئياً مواد موصلة كما في الشكل 8-3. --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: مقارنة فجوة الطاقة بين السيليكون البلوري والكربون البلوري (الألماس) Description: Diagram comparing energy bands (valence band and conduction band) for Silicon (Si) and Carbon (C) in diamond structure. Shows energy gap (E_g) for each. X-axis: Distance (nm) Y-axis: Energy (eV) Data: Illustrates the energy band gap difference between Silicon and Diamond, indicating Silicon is a better conductor due to a smaller band gap. Key Values: Silicon band gap: 1.1 eV, Diamond band gap: 5.5 eV Context: Explains why Silicon is a semiconductor and Diamond is an insulator based on their energy band gaps. **DIAGRAM**: في المادة جيدة التوصيل، تكون حزمة التوصيل مملوءة جزئياً، وتبين المنطقة المظللة بالأزرق منطقة الطاقة المشغولة بالإلكترونات. Description: A diagram illustrating energy bands in a conductor. The valence band is shown as 'حزمة تكافؤ' (valence band) and the conduction band as 'حزمة توصيل' (conduction band). The diagram shows the conduction band partially filled with electrons, indicating good conductivity. X-axis: Energy Y-axis: Band Filling Data: Conceptual representation of energy bands in a good conductor, highlighting the partially filled conduction band. Context: Illustrates the electronic structure of good conductors, explaining why they conduct electricity.