10.2 : أساسيات أشباه الموصلات

هناك اختلاف في التوصيل الكهربائي للمواد - المعادن وأشباه الموصلات والعوازل التي يتم عرضها بمساعدة مخططات نطاق الطاقة.

تتمتع المعادن مثل النحاس (Cu)، أو الزنك (Zn)، أو الرصاص (Pb) بمقاومة منخفضة وتتميز بنطاقات توصيل إما غير مشغولة بالكامل أو متداخلة مع نطاق التكافؤ، مما يجعل فجوة النطاق غير موجودة. يسمح ذلك للإلكترونات الموجودة في أعلى مستويات الطاقة في نطاق التكافؤ بالانتقال بسهولة إلى نطاق التوصيل عند الحصول على الحد الأدنى من الطاقة الحركية من مجال كهربائي مطبق. ونتيجة لذلك، مع وجود العديد من الحالات المتاحة بالقرب من الحالات المملوءة، تسهل المعادن التدفق السهل للتيار الكهربائي.

تحتوي أشباه الموصلات على نطاق تكافؤ مملوء ونطاق توصيل فارغ مفصول بفجوة نطاق صغيرة، في حدود 1 فولت، مما يسمح لبعض إلكترونات التكافؤ بالإثارة حرارياً إلى نطاق التوصيل عند درجة حرارة الغرفة. وينتج عن ذلك عدد معتدل من حاملات الشحنة، مما يجعل أشباه الموصلات أكثر موصلية من العوازل ولكن أقل من المعادن. تختلف طاقة فجوة النطاق بالنسبة لأشباه الموصلات، مثل 1.12 فولت للسيليكون (Si) و1.42 فولت لزرنيخيد الغاليوم (GaAs).

في العوازل مثل SiO_2، يمتلئ نطاق التكافؤ بالإلكترونات، ويكون نطاق التوصيل فارغًا. تحتوي العوازل على فجوة نطاق كبيرة، مما يجعل من الصعب إثارة إلكترونات التكافؤ بواسطة نطاق التوصيل في درجة حرارة الغرفة. وذلك لأن إلكترونات التكافؤ الموجودة في العوازل تشارك في روابط تساهمية قوية وتتطلب طاقة كبيرة لكسرها. هناك فجوة طاقة كبيرة تفصل بين التكافؤ المملوء ونطاقات التوصيل الفارغة، والطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة غير كافية لإثارة الإلكترونات عبر هذه الفجوة. ونتيجة لذلك، يتوفر عدد قليل جدًا من الإلكترونات للتوصيل، ولا تستطيع المادة توصيل التيار الكهربائي بشكل فعال.