الرابطة الكيميائية في المعادن أشباه الموصالت والمواد العازلة هيكل النطاق مصادر إضافية للمطالعة: Pascoe, K.J., Properties of Materials for Electrical Engineers, J. Wiley, 1974. خصائص المواد للمهندسين الكهربائيين Wert, C.A., and R.M. Thomson, Physics of Solids, McGraw-Hill, 1970. فيزياء المواد الصلبة. Azaroff, L.V., Introduction to Solids, McGraw-Hill, 1960.3 مقدمة إلى المواد الصلبة. Mayer, J.W., and S.S. Lau, Electronic Materials Science, MacMillan, 1990, العلوم اإللكترونية للمواد..1.2.3.4 الفهرس القسم 10: مقدمة... 02 القسم 10: نظري ة نطاق الطاقة باالعتماد على تشكيل المدارات الجزيئي ة... 04 القسم :10 الجدول 11... 0 القسم 10: ملحق...17 المذكرة الدراسية 1 03
أ- أ- إم أي تي مقدمة لكيمياء الحالة الصلبة 0- مقدمة تتضمن خصائص المعادن ما يلي: )1( الموصلية الكهربائية )2( عدم الشفافية )العتامة( و )3( قابلية الطرق والسحب )الطواعية(. يقد م لنا نموذج البل ورة المعدنية المبسط والذي يظهر كشبكة من األيونات الموجبة الشحنة محاطة بسحابة من اإللكترونات الحر ة فهما مبدئي ا للخاصي تين األولى والثالثة. بسبب وجود هذه السحابة من اإللكترونات الحر ة يمكننا أن ندرك لماذا يتسبب المجال الكهربائي في تحريك هذه اإللكترونات وبالتالي إعطاء خاصية الموصلية الكهربائية. كما يتيح لنا هذا النموذج أيضا شرح خاصية طواعية المعادن ويظهر ذلك في الشكل 1 ب-. عندما تتعرض البل ورة المعدنية لقوى تزيح مستوى من الذر ات بالنسبة للمستوى المجاور له تبقى الشحنة لألنواع داخل البل ورة على حالها. وعلى عكس ذلك فإن إزاحة مستويات مجاورة في البل ورة األيونية بفعل القوى الخارجية يؤدي إلى التص دع يكون ذلك بنسبة كبيرة بسبب تغيير الروابط بين األجزاء المشحونة )الشكل (. 1 تقد م نظري ة سحابة اإللكترونات الحر ة )للعالمين درودي-لورينتز )Drude-Lorentz في مبدئها شرحا عن طبيعة قوى الجذب التي تجمع األيونات المعدنية )المعدن( مع بعضها البعض. حيث تتماسك البل ورة عن طريق قوى جذب الكهرباء الساكنة forces( )electrostatic بين كل من أيونات المعدن الموجبة واإللكترونات غير المتمركزة )إلكترونات ال تنتمي إلى ذرة واحدة أو رابطة تساهمية واحدة( سالبة الشحنة. تقوم هذه النظري ة في أساسها على أنه يمكن تطبيق نظري ة الحركة الكالسيكية للغازات على سحابة اإللكترونات وفي هذه النظرية فإن قوى النتافر بين اإللكترونات تم التغاضي عنها وتم افتراض أن اإللكترونات لها سرعات تعتمد على درجة الحرارة بناء على قانون توزيع ماكسويل بولتزمان الشكل. 1 ب- في البلورات المعدنية ال يؤ دي إزاحة الطبقات المجاورة إلى تأثيرات على الشحنة االنزالق هو األكثر شيوعا لذلك المعادن لها خاصية الطواعية الشكل. 1 في البلورات األيونية غالبا ما ينتج عن إزاحة المستويات المجاورة بفعل قوى التمزيق حدوث تصد ع كبير وذلك بسبب قوى التنافر بين المستويات الممزقة الشكل 0 الخواص الميكانيكية للبل ورات األيونية والمعدنية المذكرة الدراسية 2 03
بينما اعتبرت نظري ة درودي-لورينتز للروابط المعدنية نموذجا مفيدا إال أن العديد من جوانب القصور بدأت في الظهور. ولعل من أبرز هذه الجوانب هو االختالف غير ا مل فس ر بين الحرارة النوعية التي يتم مالحظتها في المعادن والحرارة النوعية الحسابية المتوقعة لها )تعر ف الحرارة النوعية بأنها مقدار الطاقة الحرارية الالزمة لرفع درجة 1 غرام من المعدن درجة حرارة مئوية واحدة(. لقد تنبأت هذه النظري ة بحرارة نوعية أكبر بكثير من الحرارة النوعية التي تمت مالحظتها )حيث أن قانون توزيع الطاقة ل ماكسويل-بولتزمان Maxwell-Boltzmann ال يضع قيودا حول عدد األنواع التي لها نفس المقدار من الطاقة(. ]فلو كانت هنالك قيود على عدد اإللكترونات التي تمتلك طاقة متساوية حسب مبدأ استبعاد باولي principle( )Pauli exclusion فعلينا عندئذ تطبيق إحصاءات مختلفة )إحصاءات فيرمي- ديراك ].)Fermi-Dirac statistics المذكرة الدراسية 3 03
نظرية نطاق الطاقة باالعتماد على تشكيل المدارات الجزيئي ة.2 نموذج مختلف وهو على صلة مباشر ة بنماذج الروابط الكيميائية التي تم شرحهم سابقا أال وهو نموذج نطاق الطاقة. هذا النموذج الذي اقترحه قديما العالم )بلوخ )Bloch قبل تطو ر نظري ة المدارات-الجزيئية لالرتباط الكيميائي وهو نموذج المدارات الجزيئية في البل ورات ككل تظهر كجمع خطي للمدارات الذري ة في الذر ات المنفردة. يظهر لنا من خالل الموصلي ة الكهربائي ة الكبيرة التي تمتاز بها المعدنية. المعادن خواص إن المدارات بأن ه على األقل هنالك للبل ورة حركة حر ة لبعض اإللكترونات في كتلة المعدن. وحتى في حالة الليثيوم وهو يحتوي على إلكترون تكافؤ واحد فإن ذرة الليثيوم محاطة ذر ات الليثيوم بثمانية قريبة مجاورة )الليثيوم يتبلور بنظام مكعب مركزي شبكي( من الواضح عدم قدرة هذه الذر ات على االرتباط عن طريق روابط أزواج إلكترونية متمركزة )في حالة ذر ة الليثيوم مجموع ما لديها من إلكترونات هو ثالثة عليها أن تعطي ثمانية أو حتى أربعة عشر إلكترون تكافؤ لالرتباط مع الذر ات األقرب فاألقرب منها(. حقيقة أنه في الشبكة المعدنية تستطيع ذر ة واحدة وبنفس الوقت على التفاعل مع عدد كبير من الذرات يمكن تفسيرها عن طريق التسليم بأن المعادن تمثل أمثلة حد ية عن الروابط غير المركزية. ليس من السهل تفسير حاالت المعادن كما هو األمر في السالسل الهيدروكربونية العضوية ألن تركيب المعدني ة لها الشبكة ثالثة أبعاد. على الرغم من ذلك يمكن تفسير العديد من نتائج نظري ة الروابط في المعادن باستخدام نماذج غاية في البساطة حيث يمكن استبدال النموذج ثالثي األبعاد بنظام أحادي البعد. خذ على سبيل المثال التشكيل الخطي لذر ات الليثيوم من ذر ات ليثيوم مفردة: Li Li-Li Li-Li-Li Li-Li-Li-Li يتم في المرحلة األولى تشكيل جزيء الليثيوم الثنائي Li 2 وهو يشبه في بنائه جزيء الهيدروجين H 2 حيث ترتبط ذرتي الليثيوم بعضهما ببعض بواسطة زوج من إلكترونات التكافؤ. تشارك كل ذر ة ليثيوم بإلكترونها الموجود في المدار 2s حيث تتشك ل الرابطة الجزيئية التساهمية عن طريق تداخل المدارين من كال الذر تين )الشكل 2(. المذكرة الدراسية 4 03
مستوى مضاد اإلرتباط σ * تمثيل تخطيطي لتشكيل رابطة σ )سيجما( في الليثيوم كنتيجة لتداخل المدارات الذر ية مستوى 2s الذر ي مستوى 2s الذر ي مستوى االرتباط الجزيئي الشكل 0 تشكيل جزيء الليثيوم Li 2 الطاقة σ على الرغم من تشك ل جزيء الليثيوم في الحالة الغازية )كما في الهيدروجين( إال أن ه يختلف عن جزيء H 2 الهيدروجين 10-10 في أن المسافة بين الذر تين أكبر بكثير Li-Li( = -10 10 2.67 متر =H-H 0.75 متر( وأن طاقة التشكيل أقل. المسافة بين الذرية األكبر في جزيء الليثيوم وبالتالي االنخفاض في طاقة التشكيل يعودان إلى الحجم الداخلي لذر ة الليثيوم +.Li في عملية تحديد المدارات الج زيئي ة بالجمع الخط ي للمدارات الذري ة ن الحظ أكثر من حل لمعادلة شرودنجر equation(.)schrodinger إلى اآلن رك زنا بالم جمل على م ستويات الطاقة ذات الطاقة المنخفضة والتي تؤدي إلى تشكيل روابط سيجما )σ( و باي )π(. لقد أغفلنا بشكل كبير مدارات م ضادة االرتباط حيث أ ن مدارات مضادة االرتباط في الج زيئات التساه مي ة لها طاقة أعلى من م ستويات الطاقة في الذرات الم فردة قبل اإلرتباط )وهو الليثيوم Li في حالتنا هذه( و لهذا تبقى هذه المدارات فارغة في ال جزيء الم كو ن من ذر تين. في أي نظام متعدد الذر ات )كقطعة معدن( المجموع الكلي للمستويات المدارية في الجزيء يساوي دائما مجموع المستويات المدارية في الذر ات ال مفردة األصلي ة )مبدأ حفظ المستويات الطاقة(. إال أن ه ليس من الضروري أن تمتلئ جميع المدارات الج زيئي ة باإللكترونات. تخيل الجزيء االفتراضي الخط ي لليثيوم.Li 3 ال تستطيع ذر ة الليثيوم المركزي ة تفضيل أية ذر ة مجاورة على أخرى باالرتباط ألن سحابة إلكترونات التكافؤ كروي ة الشكل. تتداخل سحابات إلكترونات التكافؤ الثالث في الذر ات الثالث لتشكل توزيعا مستمرا واحدا وتوزيعين آخرين متقطعين بواسطة العقد )مستويات مضادة االرتباط( وهذا يعني أن المجموع ثالثة مدارات جزيئية في الجزي. )أنظر الشكل 3(. المذكرة الدراسية 5 03
كل ما زاد طول سلسلة الروابط كل ما زاد عدد المستويات اإللكترونية الناتجة عن انقسام مدارات 2s الذرية. عدد المستويات اإللكترونية الجزيئية )المدارات الجزيئية( دائما يساوي عدد الذر ات المرتبطة. ذات الشيء يحدث في سلسلة الليثيوم سواء ترتبت الذر ات خطي ا أو تراكمي ا حيث يؤدي ذلك في النهاية إلى تكوين شبكة الليثيوم البل ورية. من األهمية بمكان وجود قيمة عظمى وقيمة صغرى لطاقة المستويات اإللكترونية )أنظر الشكل 4(. ضمن هذه الحدود المستويات تشك ل نطاق طاقة )حزمة طاقة( ذات ق يم متقاربة جدا )يتألف الغرام الواحد من الليثيوم من 10 23 ذر ة تقريبا(. وبشكل مشابه يمكن تشكيل نطاقات الطاقة من تداخل مدارات كل األغلفة الفرعية p وd. تمتلئ المستويات المدارية في النطاق بأزواج اإللكترونات بشكل تدريجي )أزواج - أزواج( بنفس الطريقة التي تمتلئ بها مدارات الذر ة المنفردة حسب مبدأ باولي لإلستبعاد. وهذا يعني أ ن اإللكترونات ستملئ نصف مستويات الطاقة 2s في النطاق في تجم ع ذرات الليثيوم. مما يبعث على اإلهتمام هنا كيف أ ن ذرات الليثيوم أو جزيئات الليثيوم Li 2 تتحد مع بعضها بعضا لتكون شبكة معدنية. في شبكة ليثيوم البل ورية تبلغ أقصر مسافة بين ذر تين مجاورتين ما مقداره 10-10 3.03 متر وهي أكبر من المسافة بين الذرتين في جزيء الليثيوم.Li 2 وهذا بدوره يعكس حقيقة أن الروابط بين ذر تين اثنتين في المعدن أضعف من مثيالتها في الجزيء. على الرغم من ذلك فإن الشكل المعدني لليثيوم أكثر ثباتا من الشكل الجزيئي وذلك ألنه في البل ورة المعدنية الذر ة تملك عددا أكبر من الذر ات المجاورة أكثر مما هو موجود في جزيء الليثيوم.Li 2 ونتيجة لذلك تبلغ طاقة الربط للغرام الذري الواحد من الليثيوم )أي 6.92 غرام من الليثيوم( ما مقداره 163 كيلو جول للشبكة البل ورية المعدنية. وتبلغ فقط 56 كيلو جول للمول الواحد من الجزيئات. ]تعتبر إمكانية التهجين )والتي ناقشها أوال بولينغ.L Pauling لتفسير الرابطة المعدنية( عامال محتمال من عوامل تشكيل الروابط المعدنية. وبهذا يمكن للروابط القوية أن تتشك ل عندما تتركز السحابة اإللكترونية في غالف التكافؤ على طول االتجاه الذي تترتب عليه الذر ات المت حدة. بحسب مبدأ بولينغ يمكن وصف هذا الوضع باستخدام الصيغة الميزوميرية ( limiting mesomeric )formulae كما في نظرية المركبات الكربونية غير المشبعة. أحد أسباب عدم مقدرة الهيدروجين على تشكيل المعدن هو عدم قدرة مداراته على التهجين[. المذكرة الدراسية 6 03
مستوى االرتباط مستوى مضاد االرتباط مستوى غير رابط الشكل 0 تشكل السالسل الجزيئية لذر ات الليثيوم المذكرة الدراسية 7 03
نطاق فجوة الطاقة الطاقة نطاق عدد الذر ات الشكل 0 تشك ل حزم الطاقة من مستويات الطاقة للمكونات الذر ية يتعلق ظهور النطاقات للطاقات المسموحة لإللكترونات بتداخل داالت بساي )ψ( لإللكترون. يعتمد ات ساع نطاق )حزمة( الطاقة على التركيب البل وري ألنه يحد د عدد الذر ات األقرب في البل ورة. تستطيع ذر ات المذكرة الدراسية 8 03
المعادن المختلفة المتشابهة في عدد إلكترونات التكافؤ وعلى وجه الخصوص عناصر المجموعة الواحدة من الجدول الدوري أن تتبادل مواقعها بنسب عشوائية دون أن تغي ر من نوع الشبكة البل ورية أو تركيب نطاقات )حزم( الطاقة. وهذا يفسر لماذا تميل هذه المعادن إلى تكوين مجموعات كاملة من المحاليل الصلبة. تتألف السبائك المعدنية من هذا النوع من المحاليل الصلبة أو من مخلوط غير متجانس من هذه المحاليل. وعند حدود معينة حتى ذر ات المعادن التي تختلف بأعداد إلكترونات التكافؤ تستطيع أن تتبادل مواقعها داخل نفس الشبكة البل ورية. تركيب حزمة )نطاق( المعادن بناء على ما ذ كر أعاله يمكن تمثيل تركيب النطاق في معدن الليثيوم كما في الشكل 1. بناء على التفسير السابق تحتوي حزمة المستوى المداري 2s على عدد N من المستويات )حيث = N عدد الذر ات( ويمكنها أن تحتوي على عدد n من اإللكترونات في مدار 2s )حيث n هو عدد اإللكترونات لكل ذر ة في مدار 2s مضروبا في N(. وبهذا تمتلئ مستويات هذا النطاق إلى النصف فقط بسبب أ ن المستوى الواحد يستطيع احتواء إلكترونين لهما اتجاهين دورانيين متعاكسين )مبدأ استبعاد باولي(. وبحسب مبدأ أوفباو principle(.)aufbau تمتلئ المستويات ذات الطاقة األكثر انخفاضا في النطاق أوال بينما تبقى المستويات العليا فارغة إال أن ه يمكن ملؤها بسرعة من خالل تهييجها بالحرارة أو تعريضها لمجال كهربائي. وحيث أن اتساع نطاق الطاقة يقاس بعدد قليل من الفولتات فإن فروقات الطاقة بين المستويات في النطاق الواحد هو من رتبة ال 10-20 إلكترون فولت )ev( ( واحد = ev 1.6 10-19 جول(. تستطيع اإللكترونات وبسرعة أن تكتسب الطاقة الالزمة لالنتقال إلى المستويات المتهيجة وتتسارع وتتحرك عبر المعدن كإلكترونات توصيل كهربائي. وبهذا يشكل النطاق النصف ممتلئ نطاق التوصيل الكهربائي. في ذر ة المغنيسيوم Mg على سبيل المثال تعتبر آلية التوصيل الكهربائي معقدة ألن كل مدار من مدارات ال 3s في غالف التكافؤ يمأل بإلكترونين إثنين ( 2 3s(. لذلك يكون نطاق 3s ممتلئ تماما وال يتوق ع أي توصيل كهربائي في هذه الحالة. يمكننا مالحظة خاصية توصيل اإللكترونات )التوصيل الكهربائي( فقط إذا ما حدث تداخل جزئي لنطاق 3s مع النطاق الفارغ 3p. عند حدوث هذا التداخل يمكن لإللكترونات عندها أن تتهي ج )تنتقل( 3p في نطاق الفارغة 3p مدارات إلى الكهربائي كما هو الوضع في مدار s النصف ممتلئ في ذرة الليثيوم. وبالتالي تعطي خاصية التوصيل المذكرة الدراسية 9 03
نطاق الطاقة 2p الفارغ )يتداخل مع نطاق 2s النصف ممتلئ في الليثيوم( فارغ مستويات فارغ مستويات نطاق الطاقة 2s النصف ممتلئ ممتلئ الصلب الذر ات المعزولة الطاقة مستويات مستويات فارغ ممتلئ الشكل 5 توزيع مخطط نطاق الطاقة لليثيوم تركيب النطاق في المواد العازلة وأشباه الموصالت )البلورات الجزيئية( يستخدم نموذج النطاق أيضا في تفسير عدم التوصيل الكهربائي في البل ورات ذات الروابط التساهمية كاأللماس. في بل ورة األلماس وبوجود رابطة زوج من اإللكترونات بين كل ذرة والذر ات المحيطة بها تشكل مدارات االرتباط الجزيئية نطاق ذات طاقة منخفضة جدا أقل من طاقة المدارات الذرية المهجنة.sp 3 كما تشكل مدارات مضادة االرتباط نطاق ذات طاقة مرتفعة جدا أكثر بكثير من طاقة المدارات الذرية. عالوة على ذلك وحيث أن كل ذرة تساهم بأربعة مدارات وأربعة إلكترونات فهنالك العدد الكافي من اإللكترونات الالزمة لملء مدارات االرتباط )هذا متوافق مع رابطة زوج اإللكترونات التي تربط كل المذكرة الدراسية 10 03
ذر ة بالذر ات المجاورة لها( والمدارات الفارغة المتبقية هي تلك التي في النطاق ذو الطاقة العالية لمدارات مضادة االرتباط )أنظر الشكل 6(. نطاق الطاقة الغير ممتلئ المؤلف من 2 10 23 مدار مضاد ارتباط مهجن sp 3 )نطاق التوصيل( مستويات فارغة فجوة الطاقة Eg E نطاق الطاقة الممتلئ المؤلف من 10 2 23 مدار مستويات ارتباط مهجن sp 3 ممتلئة )نطاق التكافؤ( المدارات المهجنة مدار 2p ذري مدار 2s ذر ي الشكل 6 تركيب النطاق في المواد العازلة وأشباه الموصالت )البلورات الجزيئية( يمثل الشكل بلورة جزيئية من الكربون )األلماس( تمتلك العوازل وأشباه الموصالت نفس التركيب األساسي للنطاق الفرق الرئيسي فقط هو ات ساع فجوة الطاقة ( g E( بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل. تعتبر العوازل بشكل عام مواد ذات مقاومة عالية )أنظر الجدول 1( ومنها الزجاج والبوليمرات والمواد الحرارية والمركبات والسوائل والغازات. في سياق كالمنا المادة العازلة عبارة عن بل ورة جزيئية ومثال عليها األلماس )الكربون - C( أو الياقوت ولها فجوة نطاق ( g E( ذات طاقة أكبر من 4 إلكترون فولت )قيمة عشوائية(. بشكل عام ال تو صل هذه المواد الكهرباء أل ن نطاق التكافؤ مملوء والطاقة الالزمة النتقال اإللكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل الفارغ أعلى بكثير من الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة وأعلى بكثير من طاقة الطيف المرئي )حوالي.)2eV لهذا فالعوازل )في شكلها البل وري المنفرد( تكون عادة شفافة )ال لون لها(. على الرغم من ذلك إذا تم تشتيت الضوء المذكرة الدراسية 11 03
بشكل كامل أو متزايد على األجزاء الداخلية غير المتجانسة للبل ورة )مثل الحدود الحبيبية( قد تصبح البل ورة شبه شفافة أو حتى معتمة. يجب إدراك حقيقة أن الشوائب )مثل أيون الكروم في مركب +3 Cr أكسيد األلمنيوم )Al 2 O 3 أو وجود عيوب نقطية معينة )بؤر/مراكز ملونة( قد تتسب في إعطاء لون لبل ورات المواد العازلة الشفافة. يظهر اللون بسبب االمتصاص الجزئي للضوء األبيض ثم تشع اختياريا األجزاء األخرى من الطيف المرئي. أشباه الموصالت: إن أشباه الموصالت التقليدية مثل السيليكون )Si( والجيرمانيوم )Ge( لها فجوة نطاق ( g E( ذات طاقة بمقدار 1.1 و 0.7 إلكترون فولت على التوالي وهي بذلك قادرة على امتصاص األشعة المرئية وهي أيضا معتمة )الشكل 7(. باإلعتماد على الطبيعة اإلحصائية لتوزيع الطاقة الحرارية في مصفوفة المادة الصلبة )Maxwell-Boltzmann( يقوم عدد ال بأس به من اإللكترونات في نطاق التكافؤ في درجة حرارة الغرفة باكتساب مقدار كافي من الطاقة لعبور فجوة النطاق وبذلك تعطي خاصية شبه التوصيل. التوصيل الكهربائي في أشباه الموصالت يزيد بازدياد درجة الحرارة على عكس المعادن إلى أن يبدأ حدوث تبعثر لإللكترونات بسبب الحرارة الزائدة في أشباه الموصالت وهذا التبعثر يحدث بسبب ازدياد تذبذب الذرات في الشبكة البلورية )حيث يقلل ذلك من حركة اإللكترونات(. تبرز قيمة أشباه الموصالت المستخدمة في صناعة األجهزة الكهربائية في إمكانية التحكم بعدد ونوع الحامالت التي توص ل الشحنة الكهربائية )اإللكترونات هي النوع n )وهي سالبة( وتكون الثغرات النوع p )الموجب(( وذلك من خالل إضافة مقدار معين من العناصر المشوبة )المطعمة(. وهكذا فإن إبدال عناصر المجموعة الخامسة )مثل األنتيمون )اإلثمد - الكحل( Sb الزرنيخ As والفسفور P( يوفر مستويات مانحة ضحلة )بمعنى قريبة جدا ) في فجوة الحزمة على بعد حوالي 0.01 إلكترون فولت أسفل نطاق التوصيل. بينما تول د عملية إبدال عناصر المجموعة الثالثة )البورون B األلمنيوم )Al مستويات استقبال ضحلة )بمعنى قريبة جدا ) في فجوة النطاق على بعد حوالي 0.01 إلكترون فولت فوق نطاق التكافؤ. يمكن تأيين هذان النوعان من الشوائب إلى درجة كبيرة في درجة حرارة الغرفة لتعطي التوصيل الكهربائي لكل من النوعين n وp المشوبين وهو المبدأ الذي يقوم عليه تشكيل األجهزة التوصيلية مثل الصمامات الثنائية-الديودات )diodes( والترانزستورات )transistors( الشكل 8. المذكرة الدراسية 12 03
نطاق التوصيل نطاق التوصيل فجوة النطاق نطاق التكاف ؤ نطاق التكاف ؤ مستويات الشوائب والعيوب في فجوة النطاق يمكن أن تقوم بامتصاص اختياري للضوء )تلوين الجسم( )العوازل شفافة للضوء المرئي( حزمة التوصيل )المرئي( اإللكترون المهيج العوازل )الكربون( حزمة التكافؤ فجوة )المرئي( )تم امتصاص الضوء المرئي ) شبه موصل )السيليكون( الشكل 7 السلوك الضوئي للعوازل وأشباه الموصالت من المركبات التي زاد االهتمام بها في أيامنا هذه كمواد شبه موصلة هي المركبات شديدة القساوة )admantine( من المجموعة 3 إلى 1 مثل: زرنيخ الجاليوم GaAs أنتيموني اإلنديوم InSb فسفور اإلنديوم InP وفسفور الجاليوم GaP )مركبات عناصر المجموعة الثالثة والخامسة(. تتوفر في هذه المركبات ثمانية إلكترونات تكافؤ بواسطة تهجين sp 3 يمكنها أن تشك ل بناء بلوري تساهمي ذو الشكل الفراغي المشابه لأللماس وتمتلك خصائص أشباه الموصالت. المذكرة الدراسية 13 03
نطاق التوصيل مستوى الشوائب الشوائب المانحة الطاقة نطاق التكافؤ سيليكون شبه موصل مشوب نوع n إلكترون حامل الشحنة )السالبة( المتحرك من العناصر الشائبة )المطعمة( المجموعة الخامسة نطاق التوصيل مستوى الشوائب الطاقة نطاق التكافؤ سيليكون شبه موصل مشوب نوع n حامل الشحنة الموجبة المتحركة تم إنشاؤه من الذرات الشائبة )المطعمة( للمجموعة الثالثة وهي تفتقر إللكترون واحد لتلبية احتياجات االرتباط في شبكة السيليكون. تكتسب إلكترون لالرتباط من الشبكة وتول د بذلك ثغرة إلكترونية موجبة الشكل 8 أشباه الموصالت الخارجية من نوع n و p تمتاز هذه المركبات )مثل )GaAs بحركة إلكترونات فيها تفوق حركة اإللكترونات في السيليكون Si مما يجعلها ذات أهمية بالغة في تكنولوجيا األجهزة المتقدمة. المذكرة الدراسية 14 03
الجدول 0. المقاومة الكهربائية للمعدنات ولغير المعادن عند درجة حرارة * 20 C المعادن المقاومة الكهربائية أوم-متر** الالمعادن المقاومة الكهربائية أوم-متر** 10-8 أشباه الموصالت 1.6 الفضة )Silver( 1000.0 سيليكون )Silicon( 1.67 النحاس )Copper( 0.00 جيرمانيوم )Germanium( 2.3 الذهب )Gold( 2.60 األلمنيوم )Aluminum( العوازل 10 10 10 11 1.2 10 12 األلماس )Diamond( الكوارتز )Quartz( 4.4 4.61 المغنيسيوم )Magnesium( الصوديوم )Sodium ( 2 10 13 اإليبونايت )Ebonite( 1.1 التنجستون )Tungsten( 4 10 13 الكبريت )Sulfur( 1.02 الزنك )Zinc( 9 10 13 المايكا )Mica( 6.24 الكوبالت )Cobalt( 2 10 14 السيلينيوم )Selenium( 6.84 النيكل )Nickel( 3 10 16 Paraffin شمع البارافين ( )wax 7.4 الكادميوم )Cadmium( 0.71 الحديد )Iron( 12.8 القصدير )Tin( 20.6 الرصاص )Lead( 20 اليورانيوم )Uranium( 41 الزركونيوم )Zirconium( 44 المانغناين )Manganin( 11 التيتانيوم )Titanium( المذكرة الدراسية 15 03
10 62 78 100 الالنثانوم )Lanthanum( حديد 96% - سيليكون 4% )96%Iron 4%Si( السيريوم )Cerium( النيكروم )Nichrome( *من كتيب المعهد األمريكي للفيزياء 4 90; pp. Dwight E. Gray, ed. McGraw-Hill, New York (1963), 9 38. **الحظ اختالف الوحدات في العمودين **************************************************************** المذكرة الدراسية 16 03
الملحق قيم الطاقة التقريبية لبعض الحاالت والتفاعالت 10 30 تقريبا كيلو جول/ يوم تقريبا 10 18 كيلو جول/ سنة تقريبا 10 17 8 كيلو جول/ سنة تقريبا كيلو جول 10 39 تقريبا 10 15 كيلو جول تقريبا 10 8 كيلو جول تقريبا 1 كيلو جول تقريبا تقريبا تقريبا 10-4 10-6 10-8 كيلو جول كيلو جول كيلو جول انبعاثات الطاقة الشمسية الطاقة الشمسية المتحولة على األرض الطاقة المستهلكة على األرض انفجارات السوبر نوفا انفجار 100 ميجا طن من القنبلة الهيدروجينية االنفجار األطلسي الجرعة المميتة من األشعة السينية عملة ال 21 سنت الساقطة من جيبك خفقان جناح النحلة ضوء القمر لكل وجه لكل ثانية المذكرة الدراسية 17 03
المناهج التعليمية المفتوحة لمعهد ماساشوستس للتكنولوجيا http://ocw.mit.edu مقدمة إلى كيمياء الحالة الصلبة 3.091SC الفصل األول 2000 للمزيد من المعلومات حول مرجعية هذه المواد أو حول شروط االستخدام يرجى زيارة: http://ocw.mit.edu/terms المذكرة الدراسية 18 03