مخطط الفرقة

في فيزياء أشباه الموصلات ، يُعرف مخطط النطاقات بأنه رسم بياني يوضح مستويات طاقة الإلكترون الرئيسية المختلفة ( مستوى فيرمي وحواف نطاقات الطاقة المجاورة ) كدالة لبعد مكاني معين، يُرمز إليه غالبًا بالرمز x . ^{[ 1 ]} تساعد هذه المخططات في شرح آلية عمل العديد من أنواع أجهزة أشباه الموصلات ، وفي تصور كيفية تغير النطاقات بتغير الموضع (انحناء النطاقات). ويمكن تلوين النطاقات لتمييز امتلاء المستويات .

لا ينبغي الخلط بين مخطط نطاقات الطاقة ومخطط بنية نطاقات الطاقة . في كليهما، يمثل المحور الرأسي طاقة الإلكترون. والفرق هو أن المحور الأفقي في مخطط بنية نطاقات الطاقة يمثل متجه الموجة للإلكترون في مادة متجانسة لا نهائية الحجم (عادةً ما تكون بلورة)، بينما يمثل المحور الأفقي في مخطط نطاقات الطاقة الموقع في الفضاء، وعادةً ما يمر عبر مواد متعددة.

نظرًا لأن مخطط النطاقات يُظهر التغيرات في بنية النطاقات من مكان لآخر، فإن دقة هذا المخطط محدودة بمبدأ هايزنبرغ للشك : إذ تعتمد بنية النطاقات على الزخم، الذي لا يُحدد بدقة إلا على نطاقات طولية كبيرة. ولهذا السبب، لا يستطيع مخطط النطاقات تصوير تطور بنية النطاقات بدقة إلا على نطاقات طولية طويلة، ويواجه صعوبة في إظهار الصورة المجهرية للأسطح البينية الحادة على المستوى الذري بين المواد المختلفة (أو بين مادة والفراغ). عادةً، يجب تصوير السطح البيني على أنه "صندوق أسود"، على الرغم من إمكانية إظهار تأثيراته بعيدة المدى في مخطط النطاقات على شكل انحناء نطاقي تقاربي. ^{[ 2 ]}

يمثل المحور الرأسي في مخطط نطاقات الطاقة طاقة الإلكترون، والتي تشمل الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. أما المحور الأفقي فيمثل الموقع، وغالبًا ما لا يُرسم وفقًا للمقياس. تجدر الإشارة إلى أن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ يمنع رسم مخطط نطاقات الطاقة بدقة مكانية عالية، نظرًا لأن هذا المخطط يُظهر نطاقات الطاقة (نتيجةً لبنية نطاقات الطاقة التي تعتمد على الزخم ).

بينما يُظهر مخطط نطاقات الطاقة الأساسي مستويات طاقة الإلكترون فقط، غالبًا ما يُضاف إليه المزيد من التفاصيل. من الشائع رؤية رسومات توضيحية لحركة الإلكترون (أو فجوة الإلكترون ) في الطاقة والموقع أثناء انجرافه، أو إثارته بواسطة مصدر ضوئي، أو استرخائه من حالة الإثارة. قد يُعرض مخطط نطاقات الطاقة متصلًا بمخطط دائرة كهربائية يُبين كيفية تطبيق جهود الانحياز، وكيفية تدفق الشحنات، وما إلى ذلك. قد تُلوّن نطاقات الطاقة للإشارة إلى امتلاء مستويات الطاقة ، أو أحيانًا تُلوّن فجوات الطاقة بدلًا من ذلك.

عند النظر إلى مخطط نطاقات الطاقة، قد تنحني مستويات طاقة الإلكترونات (النطاقات) في المادة لأعلى أو لأسفل بالقرب من نقطة التقاء. يُعرف هذا التأثير بانحناء النطاقات، وهو لا يُشير إلى أي انحناء فيزيائي (مكاني). بل يُشير انحناء النطاقات إلى التغيرات الموضعية في البنية الإلكترونية، وتحديدًا في فرق الطاقة في بنية نطاقات أشباه الموصلات بالقرب من نقطة التقاء، نتيجة لتأثيرات الشحنة الفضائية .

المبدأ الأساسي وراء انحناء نطاقات الطاقة داخل أشباه الموصلات هو الشحنة الفضائية: أي عدم توازن موضعي في حيادية الشحنة. تُعطي معادلة بواسون انحناءً لنطاقات الطاقة حيثما يوجد عدم توازن في حيادية الشحنة. ويعود سبب عدم توازن الشحنة إلى أنه على الرغم من أن المادة المتجانسة تكون متعادلة الشحنة في كل مكان (لأنها يجب أن تكون متعادلة الشحنة في المتوسط)، إلا أن هذا الشرط غير موجود في الأسطح البينية. عمليًا، تُظهر جميع أنواع الأسطح البينية عدم توازن في الشحنة، وإن كان ذلك لأسباب مختلفة.

• عند نقطة التقاء نوعين مختلفين من نفس أشباه الموصلات (مثل وصلة pn ) تتغير النطاقات باستمرار لأن الشوائب موزعة بشكل متفرق ولا تؤثر إلا على النظام.
• عند نقطة التقاء مادتين شبه موصلتين مختلفتين، يحدث تحول حاد في طاقات النطاق من مادة إلى أخرى؛ ويكون محاذاة النطاق عند نقطة الالتقاء (على سبيل المثال، الفرق في طاقات نطاق التوصيل) ثابتًا.
• عند نقطة التقاء أشباه الموصلات والمعادن ، يتم تثبيت نطاقات أشباه الموصلات عند مستوى فيرمي للمعدن.
• عند نقطة اتصال موصل بالفراغ، يتحدد مستوى الفراغ (من الجهد الكهروستاتيكي للفراغ) بواسطة دالة شغل المادة ومستوى فيرمي . وينطبق هذا أيضاً (عادةً) على نقطة اتصال موصل بعازل.

يُعدّ فهم كيفية انحناء نطاقات الطاقة عند تلامس نوعين مختلفين من المواد أمرًا أساسيًا لتحديد ما إذا كانت الوصلة ستكون تقويمية ( شوتكي ) أو أومية . وتعتمد درجة انحناء النطاقات على مستويات فيرمي النسبية وتركيز حاملات الشحنة في المواد المكونة للوصلة. في أشباه الموصلات من النوع n، ينحني النطاق لأعلى، بينما في أشباه الموصلات من النوع p، ينحني النطاق لأسفل. تجدر الإشارة إلى أن انحناء النطاقات لا يعود إلى المجال المغناطيسي أو تدرج درجة الحرارة، بل ينشأ فقط بالتزامن مع قوة المجال الكهربائي.

• قاعدة أندرسون – قاعدة تقريبية لمحاذاة نطاقات الطاقة في الوصلات غير المتجانسة بناءً على ألفة الإلكترون في الفراغ
• قاعدة شوتكي-موت – قاعدة تقريبية لمحاذاة نطاقات الطاقة في وصلات المعدن-أشباه الموصلات ، تعتمد على ألفة الإلكترون في الفراغ ودالة الشغل
• تأثير المجال (أشباه الموصلات) - انحناء نطاق الطاقة الناتج عن مجال كهربائي على سطح الفراغ (أو العازل) لأشباه الموصلات
• حجب توماس-فيرمي – نظرية أولية لانحناء نطاق الطاقة الذي يحدث حول عيب مشحون
• السعة الكمومية – حالة خاصة من انحناء النطاق في تأثير المجال، لنظام مادي يحتوي على غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد

• جيمس د. ليفينغستون، الخصائص الإلكترونية للمواد الهندسية، وايلي (21 ديسمبر 1999).

• الوسائط المتعلقة بمخطط النطاقات على ويكيميديا ​​كومنز