نطاقات التكافؤ والتوصيل

في فيزياء المواد الصلبة ، يُعدّ نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل أقرب نطاقين إلى مستوى فيرمي ، وبالتالي يُحددان الموصلية الكهربائية للمادة الصلبة. في اللافلزات ، يُمثل نطاق التكافؤ أعلى نطاق لطاقات الإلكترونات التي تتواجد فيها الإلكترونات عادةً عند درجة الصفر المطلق ، بينما يُمثل نطاق التوصيل أدنى نطاق للحالات الإلكترونية الشاغرة . على رسم بياني لبنية النطاقات الإلكترونية لمادة شبه موصلة، يقع نطاق التكافؤ أسفل مستوى فيرمي، بينما يقع نطاق التوصيل فوقه.

إن التمييز بين نطاقي التكافؤ والتوصيل لا معنى له في المعادن، لأن التوصيل يحدث في نطاق واحد أو أكثر من النطاقات المملوءة جزئيًا والتي تأخذ خصائص كل من نطاقي التكافؤ والتوصيل.

في أشباه الموصلات والعوازل، يفصل بين نطاقي الطاقة فجوة طاقة ، بينما في الموصلات تتداخل النطاقات. فجوة الطاقة هي نطاق طاقة في مادة صلبة لا يمكن أن توجد فيه حالات إلكترونية بسبب تكميم الطاقة. ضمن مفهوم نطاقات الطاقة، تُعرف فجوة الطاقة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل بفجوة الطاقة. ^{[ 1 ]} تتحدد الموصلية الكهربائية لللافلزات بقابلية الإلكترونات للانتقال من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل.

بنية نطاق أشباه الموصلات: انظر التوصيل الكهربائي وأشباه الموصلات للحصول على وصف أكثر تفصيلاً لبنية النطاق.

في المواد الصلبة، تعتمد قدرة الإلكترونات على العمل كناقلات للشحنة على توافر مستويات إلكترونية شاغرة. وهذا يسمح للإلكترونات بزيادة طاقتها (أي تسارعها ) عند تطبيق مجال كهربائي . وبالمثل، تسمح الفجوات (المستويات الفارغة) في نطاق التكافؤ شبه الممتلئ بالتوصيل الكهربائي.

وبناءً على ذلك، تعتمد الموصلية الكهربائية للمادة الصلبة على قدرتها على نقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. لذا، في حالة أشباه الفلزات ذات منطقة التداخل، تكون الموصلية الكهربائية عالية. إذا كانت فجوة الطاقة صغيرة (Eg ₎ ، فإن نقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل لا يكون ممكنًا إلا بتزويدها بطاقة خارجية (حرارية، إلخ)؛ وتُسمى هذه المواد ذات فجوة الطاقة الصغيرة ( _{Eg )} بأشباه الموصلات . أما إذا كانت فجوة الطاقة (Eg ₎ كبيرة بما يكفي، فإن نقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل يصبح ضئيلاً في الظروف العادية؛ وتُسمى هذه المواد بالعوازل .

مع ذلك، توجد بعض الموصلية في أشباه الموصلات. ويعود ذلك إلى الإثارة الحرارية، حيث تكتسب بعض الإلكترونات طاقة كافية لتجاوز فجوة النطاق دفعة واحدة. وبمجرد وصولها إلى نطاق التوصيل، تصبح قادرة على توصيل الكهرباء، وكذلك الفجوة التي خلفتها في نطاق التكافؤ. وتمثل هذه الفجوة حالة فارغة تسمح للإلكترونات في نطاق التكافؤ بدرجة معينة من الحرية.

يُعدّ انزياح حافة نطاق التوصيل و/أو نطاق التكافؤ، الذي يعتمد على الحجم، ظاهرةً قيد الدراسة في مجال بلورات أشباه الموصلات النانوية . ويُمثّل نصف قطر بور الفعّال الحدّ الأقصى لنصف قطر وجود بلورة أشباه الموصلات النانوية. وتنزاح حواف نطاق التوصيل و/أو نطاق التكافؤ إلى مستويات طاقة أعلى ضمن هذا الحدّ نتيجةً للانتقالات الضوئية المنفصلة عندما تكون بلورة أشباه الموصلات النانوية مُقيّدةً بالإكسيتون. ونتيجةً لهذا الانزياح، يقلّ حجم نطاق التوصيل و/أو نطاق التكافؤ. ويمكن لهذا الانزياح، الذي يعتمد على الحجم، أن يُوفّر معلوماتٍ قيّمةً حول حجم أو تركيز جسيمات أشباه الموصلات النانوية أو بنية نطاقاتها. ^{[ 2 ]}

• للحصول على مزيد من المعلومات حول التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة، ووصف آخر لبنية النطاق، انظر إلى التوصيل الكهربائي .
• بحر فيرمي
• هومو/لومو
• للحصول على شرح كامل لبنية نطاقات المواد، يُرجى مراجعة قسم أشباه الموصلات .
• فاليترونيكس

• حاسبة طاقة فجوة النطاق المباشر