المحتويات
حزم التكافؤ هي مستويات طاقة قليلة مليئة بالإلكترونات صح ام خطا
يبحث طلاب وطالبات في المملكة العربية السعودية عن حل سؤال (حزم التكافؤ هي مستويات طاقة قليلة مليئة بالإلكترونات صح ام خطا) ولمعرفة الاجابة ندعوك لقراءة المقالة :
بدايةً إن حزمة التكافؤ هي الغلاف الأخير في الذرة، والذي يحتوى على الإلكترونات التي تساهم في أي تفاعل تدخل فيه الذرة، والتفاعلات التي تحدث بين الروابط بين الذرات ، وتسمى الإلكترونات التي توجد في غلاف التكافؤ بإلكترونات التكافؤ.
الجدير ذكره هنا أنها تميل الغازات النبيلة لأن يكون بها 8 إلكترونات في الغلاف الخارجي (فيما عدا الهيليوم، والذي يملأ غلافه الخارجى 2 إلكترون) ، وهذا يتماشى مع نظرية الثمانيات (تسمى أيضا ثمانيات نيولاندز) والتي يمكن أن تطبق على عناصر الدورة الثالثة والرابعة. ومن منطلق المدارات الذرية فإن الإلكترونات الثمانية الموجودة في غلاف التكافؤ موزعة في كلآتى 2 في المدار s، و2 في كل من مدارات p الثلاثة.
حزم التكافؤ هي مستويات طاقة قليلة مليئة بالإلكترونات.
الجواب: صحيح
ملخص درس التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة – إلكترونيات الحالة الصلبة
– أشباه الموصلات :
+ من أمثلتها : السيليكون ، الجرمانيوم .
+ أهمية الأدوات المصنوعة منها : تعمل على تضخيم الإشارات الكهربائية الضعيفة جدا وضبطها من خلال حركة الإلكترونات داخل منطقة بلورية صغيرة .
+ مميزات الأدوات المصنوعة منها :
- أدوات صغيرة جدا .
- لا تولد حرارة كبيرة .
- كلفة صناعتها قليلة .
- يقدر عمرها الافتراضي بأكثر من عشرين عاما .
علل : تعمل الأدوات المصنوعة من أشباه الموصلات بقدرة كهربائية صغيرة جدا .
بسبب قلة عدد الإلكترونات المتدفقة خلالها إضافة لعدم احتوائها على فتائل .
– الموصلات والعوازل :
+ تتحرك الشحنات بسهولة في الموصلات ولا تتحرك بسهولة في العوازل حيث أن مقدرة الموصلات على نقل الشحنات أكبر من العوازم .
+ المواد الصلبة البلورية تتكون من ذرات مرتبطة معا بترتيبات منتظمة .
أنواع حزم الطاقة :
حزم التكافؤ : حزم الطاقة ذات مستويات الطاقة الدنيا في الذرة وتكون مملوءة بإلكترونات مرتبطة في البلورة .
حزم التوصيل : حزم الطاقة ذات المستويات العليا في الذرة ويكون متاحا فيها للإلكترونات الانتقال من ذرة إلى أخرى .
فجوات الطاقة : المنطقة التي تفصل بين حزم التوصيل وحزم التكافؤ والتي لا يوجد فيها مستويات طاقة متاحة للإلكترونات .
علل : فجوات الطاقة تسمى مناطق الطاقة الممنوعة أو المحظورة .
لانه لا يوجد في فجوات الطاقة مستويات طاقة متاحة للإلكترونات .
علل : يحتاج الكربون البلوري “التركيب الماسي ” إلى طاقة كبيرة لنقل إلكترونات التكافؤ إلى حزمة التوصيل مقارنة مع السيليكون .
لأنه للسيليكون البلوري فجوة طاقة صغيرة مقارنة مع فجوة طاقة الماس .
علل : الكربون الجرافيتي موصل جيد بعكس الكربون الماسي .
لأن ترتيب الذرات في الجرافيت يمنحه فجوة طاقة أقل مقارنة بحالة الماس .
حزمة التكافؤ مملوءة كليا بالإلكترونات .
نظرية الأحزمة للمواد الصلبة : وصف لحزمتي التكافؤ والتوصيل المنفصلتين بواسطة فجوات الطاقة الممنوعة .
– عند درجة الصفر المطلق :
حزمة التكافؤ مملوءة كليا بالإلكترونات .
حزمة التوصيل فارغة تماما .
– عند درجة حرارة الغرفة :
عدد من إلكترونات التكافؤ تمتلك طاقة حرارية كافية لتقفز عن فجوة الطاقة 1.1 eV لتصل إلى حزمة التوصيل وتكون نواقل للشحنة .
– علل : تزداد موصلية السيليكون عندما تزداد درجة الحرارة .
لأن المزيد من الإلكترونات تكتسب طاقة كافية للقفز عن الفجوة وتكوين نواقل للشحنة .
– أثر درجة الحرارة :
+ الجرمانيوم حساس جدا للحرارة في معظم التطبيقات الإلكتلاونية .
+ التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة تسبب تغيرات كبيرة في موصلية الجرمانيوم .
علل : الجرمانيوم أكثر موصلية من السيليكون عند أي درجة حرارة .
لأن فجوة الطاقة للجرمانيوم أقل من فجوة الطاقة للسيليكون .
علل: صعوبة ضبط دوائر الجرمانيوم الكهربائية واستقرارها .
لأن التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة تسبب تغيرات كبيرة في موصلية الجرمانيوم .
– الرصاص : ” تداخل الحزم “
+ المواد التي يوجد فيها تداخل بين حزم التوصيل وحزم التكافؤ المملوءة جزئيا بالإلكترونات تعد موادا موصلة مثل الرصاص .
+ علل : في مخطط الحزم – الفجوة للرصاص ، تتداخل حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ .
لأن الفراغات بين ذراته صغيرة جدا .
– حركة الإلكترونات :
تتحرك الإلكترونات في الموصلات بسرعة وبصورة عشوائية حيث تتغير اتجاهاتها عندما تصطدم بالذرات .
– أثر المجال الكهربائي عليها :
+ بتطبيق فرق جهد عبر مادة سيؤثر المجال الكهربائي الناتج بقوة تدفع الإلكترونات في اتجاه واحد .
+ تتسارع الإلكترونات وتكتسب طاقة نتيجة الشغل الذي بذله عليها المجال وبذلك تتحرك الإلكترونات التي اكتسبت طاقة من ذرة إلى الذرة التالية .
– علل : الفلزات مثل : الألمنيوم والنحاس توصل الكهرباء بسهولة .
لأن حزمها مملوءة جزئيا بالإلكترونات .
– نموذج إلكترون – غاز : نموذج من الموصلات تتحرك فيه الإلكترونات حركة سريعة باتجاهات عشوائية وتتحرك ببطء شديد في اتجاه النهاية الموجبة للسلك بتأثير المجال الكهربائي .
– الموصلية وعلاقتها بالمقاومية :
- الموصلية مقلوب المقاومية .
- كلما قلت موصلية المادة ازدادت مقاوميتها .
– علل : تقل موصلية الفلز عندما ترتفع درجة حرارته .
لأن سرعة الإلكترونت تزداد فتزداد تصادماتها بالذرات .
– كثافة الإلكترونات الحرة في موصل : عدد الإلكترونات الحرة في وحدة الحجم من المادة .
– عدد الإلكترونات الحرة في كل سنتيمتر مكعب :
NA عدد الذرات في المول من المادة
M الكتلة الذرية للمادة
P كثافة المادة
– العوازل :
+ حزم الطاقة :
- حزمة التكافؤ في العوازل مملوءة وحزمة التوصيل فارغة .
- في درجة حرارة الغرفة متوسط الطاقة الحركية للإلكترونات لا تكفيها لتقفز عن الفجوة الممنوعة .
- إذا طبق مجال كهربائي صغير على عازل فإن الإلكترونات غالبا لا تكتسب طاقة كافية للوصول إلى حزمة التوصيل .
- علل : المادة العازلة لا توصل التيار الكهربائي .
لأن إلكتروناتها تميل إلى أن تبقى في أماكنها .
– أساسيات عن أشباه الموصلات :
+ أنواعها :
- أشباه الموصلات النقية .
- أشباه الموصلات المعالجة .
+ من أمثلتها :
- السيليكون .
- الجرمانيوم .
+ إلكترونات تكافؤها :
- تمتلك أربعة إلكترونات تكافؤ تساهم في ربط الذرات معا في المادة الصلبة البلورية .
- الإلكترونات في أشباه الموصلات تتحرك بحرية أكبر من العوازل وأقل من الموصلات .
- تركيبها :
) إلكترونات التكافؤ في أشباه الموصلات تشكل حزمة مملوءة كما في العوازل .
) الفجوة الممنوعة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل أصغر بكثير مقارنة مع العوازل .
- حزم الطاقة :
) في درجة حرارة الغرفة متوسط الطاقة الحركية للإلكترونات تكفيها لتقفز عن الفجووة الممنوعة التي مقدارها 1 eV .
) الحركة العشوائية للذرات والإلكترونات تزود بعض الإلكترونات بطاقة كافية للتحرر من ذراتها الأصلية والتجول حول بلورة السيليكون .
– إذا طبق مجال كهربائي على مادة شبه موصلة فإن إلكترونات حزمة التوصيل تتحرك خلال المادة الصلبة حسب اتجاه المجال المطبق .
– علل : تزداد موصلية أشباه الموصلات بزيادة درجة الحرارة .
لأن زيادة درجة الحرارة يزيد من عدد الإلكترونات القادرة على الوصول إلى حزمة التوصيل فتزداد الموصلية .
– الفجوات : مستوى طاقة فارغ في حزمة التكافؤ .
+ تكونها : عندما يتحرر إلكترون من ذرة يترك مكانه فجوة فتصبح الشحنة الكلية للذرة موجبة .
+ اتجاه حركتها : تتحرك الفجوات الموجبة في الاتجاه المعاكس لاتجاه حركة الإلكترونات الحرة السالبة .
– عند اتحاد الفجوة مع الإلكترون الحر فإن شحنتيهما المختلفتين تعادل كل منهما الأخرى .
– أشباه الموصلات النقية : أشباه موصلات توصل نتيجة تحرير الإلكترونات والفجوات حراريا .
– علل : مقاومة أشباه الموصلات النقية كبيرة والتوصيل فيها منخفض جدا .
لأن عدد قليل جدا من الإلكترونات والفجوات متوافرة لحمل الشحنة .
– الشوائب : ذرات مانحة أو مستقبلة للإلكترونات تضاف بتراكيز قليلة إلى أشباه الموصلات النقية .
+ أهميتها : تعمل على زيادة موصلية أشباه الموصلات وذلك بتوفير إلكترونات أو فجوات إضافية .
– أشباه الموصلات المعالجة : أشباه الموصلات التي تعالج بإضافة شوائب .
+ أنواعها :
- أشباه الموصلات من النوع السالب n .
- أشباه الموصلات من الموع الموجب P .
– أشباه الموصلات من النوع n :
+ طريقة الحصول عليها :
- إضافة مادة معالجة خماسية التكافؤ إلى بلورة السيليكون .
- الذرة المعالجة ” الزرنيخ As ” تحل محل إحدى ذرات السيليكون في البلورة .
- ترتبط أربعة من إلكترونات التكافؤ الخمسة مع ذرات السيبيكون المجاورة والخامس يسمى الإلكترون المانح .
+ الإلكترون المانح :
- طاقة الإلكترون المانح قريبة جدا من طاقة حزمة التوصيل لذلك يمكن نقل الإلكترون المانح بسهولة من الذرة المعالجة على حزمة التوصيل .
- بتوافر عدد أكبر من الإلكترونات المانحة وانتقالها إلى حزمة التوصيل يزداد توصيل أشباه الموصلات من النوع n .
– أشباه الموصلات من النوع p :
+ طريقة الحصول عليها :
- إضافة مادة الجاليوم ثلاثية التكافؤ إلى بلورة السيليكون .
- ذرة الجاليوم Ga تحل محل إحدى ذرات السيليكون .
- ترتبط إلكترونات التكافؤ الثلاثة مع ذرات السيليكون المجاورة فينقص إلكترون واحد مما يحدث فجوة في بلورة السيليكون .
+ الإلكترونات في حزمة التكافؤ يمكن أن تسقط بسهولة في هذه الفجوات محدثة فجوات جديدة .
+ يتوافر عدد أكبر من الفجوات التي تنتجها ذرات الجاليوم بزداد توصيل شبه الموصل من النوع p .
+ معالجة السيليكون بالشوائب :
- توضع بلورة نقية من السليكون في فراغ من عينة من المادة المعالجة .
- يسخن المعالج حتى يتبخر وتتكاثف ذراته على السيليكون الباردة حيث ينتشر المعالج في السيليكون بالتسخين .
- تبخر طبقة رقيقة من الألمنيوم أو الذهب على البلورة المعالجة ويلحم سلك بطبقة الفلز مما يسمح للمستخدم بتطبيق فرق جهد على السيليكون المعالج بالشوائب .
– المجسات الحرارية :
+ وصفها : أجهزة شبه موصلة تعتمد مقاومتها بدرجة كبيرة على درجة الحرارة .
+ استخداماتها :
- مقياس حساس لدرجة الحرارة .
- الكشف عن تغيرات درجة الحرارة لمكونات الدائرة الكهربائية .
- الكشف عن الموجات الراديوية والاشعة تحت الحمراء وغيرها من أنواع الإشعاع .
– الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات النقية وغير النقية حساسة لكل من …
- درجة الحرارة .
- الضوء .
– علل : تزداد موصلية أشباه الموصلات وتقل مقاومتها بزيادة درجة حرارتها .
لأن زيادة درجة حرارة أشباه الموصلات يسمح بوصول المزيد من الإلكترونات إلى حزمة التوصيل .
– مقاييس الضوء :
+ مبدأ عملها : مبدأ عمل مقاييس الضوء يعتمد على حساسية أشباه الموصلات للضوء .
+ استخدامها :
- يستخدمها مهندسو الإضاءة في إنارة المحال التجارية والمكاتب والمنازل .
- يستخدمها المصورون الفوتوجرافيون لتعديل آلات التصوير لالتقاط أفضل الصور .
+ علل : مقاومة أشباه الموصلات المعالجة تتناقص مع زيادة شدة الضوء .
لأن الضوء يعمل على إثارة إلكترونات حزمة التكافؤ فتنتقل إلى حزمة التوصيل .