فيديو السؤال: فهم سلوك الإلكترونات في شبه موصل مطعم الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

يوضح الشكل شبكة من ذرات السليكون أضيفت إليها ذرة فوسفور. تحتوي ذرة الفوسفور على خمسة إلكترونات تكافؤ. وتحتوي ذرة السليكون على أربعة إلكترونات تكافؤ. ما عدد الروابط التساهمية التي تكونها ذرة الفوسفور مع ذرات السليكون المجاورة لها؟ ما عدد الإلكترونات الحرة التي أضيفت إلى الشبكة عندما أضيفت ذرة الفوسفور؟ ما الشحنة النسبية الكلية لذرة الفوسفور بعد إضافتها إلى الشبكة؟

لنبدأ بهذا السؤال عن عدد الروابط التساهمية التي تكونها ذرة الفوسفور. تذكر أنه في شبكة السليكون، مثل التي نراها هنا، تكون كل ذرة سليكون رابطة تساهمية واحدة مع كل ذرة من الذرات الأربع المجاورة لها. على سبيل المثال، ذرة السليكون هذه تكون رابطة، اثنتين، ثلاثًا، أربع روابط تساهمية مع الذرات الأربع المجاورة لها. وتحتوي كل ذرة سليكون على أربعة إلكترونات تكافؤ خاصة بها. وعليه، فإن تكوينها لأربع روابط تساهمية أيضًا يسمح لكل ذرة سليكون بأن يصبح لديها ثمانية إلكترونات كاملة في غلاف تكافؤها الإلكتروني الخارجي. وتحدث أيضًا هذه المشاركة لإلكترونات الغلاف الخارجي عند إضافة الفوسفور إلى شبكة السليكون.

بالنظر إلى الشكل، نلاحظ أن ذرة الفوسفور تحتوي على ثمانية إلكترونات كاملة في غلافها الخارجي. وعلى غرار ذرة السليكون المركزية، فإنها تتشارك أربعة أزواج من الإلكترونات مع ذرات السليكون الأربع المجاورة. ويكون كل زوج من الإلكترونات المشاركة رابطة تساهمية. ومن ثم، يكون الفوسفور أربع روابط تساهمية مع ذرات السليكون المجاورة له. والآن لنفكر في عدد الإلكترونات الحرة التي أضيفت إلى الشبكة في هذه الحالة.

نعلم أن ذرة الفوسفور تحتوي على خمسة إلكترونات تكافؤ أو إلكترونات خارجية. ونعلم أيضًا أن الفوسفور يكون أربع روابط تساهمية مع ذرات السليكون المجاورة له، وهذا يمنح أربعة إلكترونات إضافية إلى الغلاف الخارجي للفوسفور. تذكر أن هذا الغلاف الخارجي يتسع فقط لثمانية إلكترونات. لذلك، فإن أربعة فقط من إلكترونات التكافؤ الخمسة التي يحتوي عليها الفوسفور، يمكن أن يتسع لها الغلاف بمجرد تكون الروابط التساهمية. هذا يعني أن أحد الإلكترونات التي أتت بها ذرة الفوسفور ليس له مكان في الغلاف، ولذلك يمنح إلى الشبكة باعتباره إلكترونًا حرًّا. ومن ثم، يضاف إلكترون حر إلى الشبكة عند إضافة ذرة الفوسفور.

وأخيرًا، ما الشحنة النسبية الكلية لذرة الفوسفور الآن؟ حسنًا، نعلم أن الفوسفور أضيف إلى الشبكة وهو يحتوي على خمسة إلكترونات تكافؤ، ما يعني أنه كان متعادلًا أو ليس له شحنة كلية. ولكن عند إضافته إلى شبكة السليكون، نعلم أن أحد إلكتروناته أصبح حرًّا؛ ما يعني أنه لم يعد مرتبطًا بذرة الفوسفور. وبما أن الفوسفور فقد إلكترونًا واحدًا شحنته النسبية تساوي سالب واحد، أصبح الفوسفور الآن أيونًا موجب الشحنة، وشحنته النسبية الكلية تساوي موجب واحد.