الفرق بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل - Valence Band vs Conduction Band

تعريف نطاق التكافؤ – Valence Band:

يتم تعريفه بشكل أساسي على أنّه نطاق الطاقة الذي يتكون من إلكترونات التكافؤ الموجودة في الغلاف الخارجي للهيكل الذري، تتحول إلكترونات التكافؤ هذه، عند تزويدها بالطاقة الكافية إلى إلكترونات حرة وتتحرك إلى نطاق التوصيل ممّا يسبب التوصيل، يتم اختصاره أحيانًا بالرمز (VB) ويكون عند مستوى طاقة أقل من نطاق التوصيل في مخطط مستوى الطاقة.

يتم فصل هذين النطاقين بمقدار معين من الطاقة يعرف باسم “فجوة الطاقة المحرمة” (forbidden energy gap). تعتمد فجوة الطاقة هذه على نوع المادة، أي إمّا أن تكون المادة موصلة أو عازلة أو شبه موصلة نظرًا لأنّ هذا النطاق هو حالة طاقة أقل، وبالتالي من خلال تطبيق الجهد المطبق خارجيًا، تتحرك الإلكترونات في هذا النطاق خارجها وتنتقل إلى الحالة الأعلى للسماح بالتوصيل عبر المادة.

شرح نطاق التكافؤ:

هو نطاق الطاقة الذي يتكون من الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي للذرة. عندما يتم إعطاء الطاقة، فإنّ الإلكترونات موجودة في إلكترونات التكافؤ تخرج من النطاق وتتحرك إلى نطاق التوصيل وتسبب التوصيل. يُشار إلى نطاق التكافؤ (VB) ويوجد عند مستوى طاقة أقل من نطاق التوصيل في مخطط مستويات الطاقة. يسمّى فرق الطاقة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل “بفجوة الطاقة المحرمة”.

تعريف نطاق التوصيل – Conduction Band:

يُعرَّف نطاق التوصيل بأنّه نطاق الطاقة الذي يتكون من إلكترونات حرة مسؤولة عن التوصيل. وهكذا سمّي هذا النطاق بذلك. في الأساس، تصل الإلكترونات التي تخرج من نطاق التكافؤ من خلال اختبار قوة خارجية إلى نطاق الطاقة الأعلى من أجل دعم التوصيل. هذا النطاق موجود فوق “مستوى طاقة فيرمي” (fermi energy level)، أي في حالة طاقة أعلى.

وبالتالي، تتطلب الإلكترونات قدرًا كبيرًا من طاقة الإثارة للوصول إلى نطاق التوصيل، ممّا يؤدي إلى ظهور تيار كهربائي. يتم اختصاره بالرمز (CB) ويسمح بحرية حركة الإلكترونات بداخله. كما ناقشنا بالفعل أنّ “فجوة الطاقة المحرمة” بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل تختلف باختلاف المواد.

كما هو الحال في حالة الموصلات، يتداخل النطاقان، وبالتالي يمكن للإلكترونات الموجودة في نطاق الطاقة السفلي أن تنتقل بسهولة إلى نطاق التوصيل. ولكن في حالة أشباه الموصلات، توجد فجوة طاقة كافية بين النطاقين، وبالتالي، هناك حاجة إلى طاقة خارجية لتحرير إلكترونات التكافؤ. بينما بالنسبة للعوازل، تكون فجوة النطاق كبيرة جدًا وبالتالي فإنّ الطاقة الكبيرة جدًا مطلوبة لجعل إلكترون التكافؤ إلكترونًا حرًا.

شرح نطاق التوصيل:

يُطلق على نطاق الطاقة الذي يتكون من إلكترونات حرة تشارك في التوصيل نطاق التوصيل، تدخل الإلكترونات التي تغادر نطاق التكافؤ بعد الحصول على الطاقة في نطاق التوصيل للمشاركة في عملية التوصيل، يوجد نطاق التوصيل فوق مستوى طاقة (Fermi) أو في حالة طاقة أكبر لذلك للوصول إلى هذا النطاق، هناك حاجة إلى كمية كبيرة من الطاقة للإلكترونات لأسباب تدفق التيار.

يُرمز إليه بـ (CB) وفي هذا النطاق، تتحرك الإلكترونات بحرية. بالنسبة للموصلات، يتداخل النطاقان مع بعضهما البعض بحيث يمكن للإلكترونات الموجودة في النطاق الأقل طاقة أن تدخل بسهولة في نطاق التوصيل. بالنسبة لأشباه الموصلات، هناك بعض الاختلاف بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل، لذا يلزم قدر من الطاقة لكي تدخل الإلكترونات في نطاق التوصيل. بالنسبة لحالة العوازل، تكون فجوة النطاق بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل عالية، لذا يلزم وجود كمية كبيرة جدًا من الطاقة لإزالة الإلكترونات من نطاق التكافؤ لتحريك نطاق التوصيل.

الفرق بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل:

نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل هما مستويان مختلفان من الطاقة يفصل بينهما مقدار معين من الطاقة. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل في أنّ نطاق التكافؤ يحدد مستوى طاقة الإلكترونات الموجودة في غلاف التكافؤ للهيكل الذري. في المقابل نطاق التوصيل يحمل تلك الإلكترونات المسؤولة عن التوصيل.

جدول المقارنة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل:

الاختلافات الرئيسية بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل:

• نطاق التكافؤ موجود تحت “مستوى طاقة فيرمي” بينما يوجد نطاق التوصيل فوق “مستوى طاقة فيرمي” في مخطط نطاق الطاقة.

• عندما يتم توفير الإثارة الخارجية، تتحرك الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ خارجها ومع ذلك بسبب الطاقة الخارجية، تتحرك الإلكترونات في نطاق التوصيل.

• كثافة الإلكترونات أعلى نسبيًا في نطاق التكافؤ منها في نطاق التوصيل.

• في درجة حرارة الغرفة، عادةً ما يكون نطاق التكافؤ ممتلئًا جزئيًا أو كليًا في حين أنّ نطاق التوصيل يكون بشكل عام فارغًا أو ممتلئًا جزئيًا في درجة حرارة الغرفة.

• نطاق التكافؤ هو حالة طاقة أقل، في حين أنّ نطاق التوصيل يكون نسبيًا عند مستوى طاقة أعلى.

• تتعرض الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ لقوة قوية من النواة. في المقابل، النواة تظهر قوة ضعيفة جدًا أو تكاد لا تذكر على الإلكترونات في نطاق التوصيل.