Purtători de taxe

Purtătorii de sarcină  sunt denumirea generală pentru particulele sau cvasi -particulele în mișcare care poartă o sarcină electrică și sunt capabile să furnizeze fluxul unui curent electric [1] .

Exemple de particule în mișcare sunt electronii , ionii . Un exemplu de cvasi-particulă - un purtător de sarcină este un ion, alte particule încărcate, de exemplu, pozitronii .

De obicei, termenul „purtători de sarcină” este folosit în fizica stării solide și în fizica semiconductorilor .

Electronii în metale

În metale și substanțe cu un tip de conductivitate metalică, care includ multe alte substanțe - grafit, multe carburi și nitruri ale metalelor tranziționale , electronii sunt purtători de sarcină. În astfel de substanțe, unul sau mai mulți electroni ai învelișului electronic exterior al atomilor nu sunt legați de atomii din jur și se pot deplasa în mod ordonat sub acțiunea unui câmp electric în interiorul unui cristal sau lichid, chiar și la temperatura zero absolută. Astfel de electroni se numesc electroni de conducție în corpuri cu un tip metalic de conductivitate. Deoarece electronii au un spin pe jumătate întreg, totalitatea lor se supune statisticilor Fermi-Dirac și este de obicei numită gazul electronilor Fermi .

În absența unui câmp electric , electronii de conducere se mișcă aleatoriu într-un metal sau se topesc în diferite direcții, iar curentul electric din corp este zero. O excepție este mișcarea electronilor de conducție în supraconductori , în care electronii se pot mișca în mod ordonat și pot crea un curent electric fără aplicarea unui câmp electric.

Când se aplică un câmp electric, ordinea este impusă mișcării haotice a electronilor - un curent electric ia naștere în corp. În câmpurile electrice practic realizabile în metale, viteza mișcării ordonate a electronilor nu depășește câțiva milimetri pe secundă, în timp ce viteza medie a mișcării haotice a electronilor este de ordinul a câteva sute de km/s.

Purtători de sarcină în semiconductori

În semiconductori , purtătorii de sarcină sunt electroni . Pentru comoditatea descrierii proceselor de conducere în semiconductori, se introduce conceptul de cvasiparticulă - o gaură  - o particulă încărcată pozitiv cu o sarcină egală în valoare absolută cu sarcina unui electron. De fapt, o gaură este un electron care sare într-un loc liber liber învecinat în rețeaua cristalină a unui semiconductor. Macroscopic, găurile se comportă ca particule adevărate încărcate pozitiv, în special, semnul EMF în efectul Hall indică mișcarea particulelor încărcate pozitiv într-un semiconductor de gaură.

După raportul dintre concentrațiile de electroni și găuri, se disting semiconductori intrinseci, în care concentrațiile de electroni și găuri sunt egale, semiconductori cu conductivitate de tip electronic sau altfel numiți semiconductori de conductivitate de tip n sau pur și simplu de tip n cu un concentrație crescută de electroni în comparație cu găurile și semiconductori cu conductivitate de tip găuri numite semiconductori de tip p - cu o concentrație crescută de găuri.

Tipul de aceasta sau aceea conductivitate este conferit unui semiconductor pur de un dopant . Impuritățile care conferă un tip electronic de conductivitate unui semiconductor sunt numite impurități donor , iar impuritățile care conferă un tip de conductivitate de gaură sunt numite impurități acceptoare .

Semiconductori puri și semiconductori cu o concentrație egală de impurități acceptoare și donatoare, astfel de semiconductori sunt numiți semiconductori compensați din propriii lor semiconductori .

Electronii dintr-un semiconductor de tip n sunt numiți purtători majoritari , iar găurile sunt numite minoritare , într-un semiconductor de tip p, respectiv invers. Curentul purtător minoritar joacă un rol important în unele tipuri de dispozitive semiconductoare, cum ar fi tranzistoarele bipolare , iar în modul activ, curentul care curge prin stratul de bază este curentul purtător minoritar.

Conform teoriei benzilor , energia unui electron din rețeaua cristalină a unui semiconductor nu poate prelua o serie arbitrară de energii, dar numai energiile lor se pot afla în anumite intervale - zone permise separate printr-o bandă interzisă . Banda de energie inferioară permisă se numește banda de valență , în timp ce banda de energie înaltă permisă se numește bandă de conducție . Electronii cu energii ale benzii de valență nu sunt liberi, adică nu se pot mișca atunci când se aplică un câmp electric, deoarece toate nivelurile de energie din această bandă sunt ocupate și, conform principiului de excludere Pauli, un electron nu își poate schimba starea și mișcarea necesită o schimbare de stare. Electronii cu energiile benzii de conducție sunt mobili, deoarece are niveluri de energie liberă situate deasupra.

Dacă un electron este îndepărtat din banda de valență, atunci se formează un loc liber încărcat pozitiv - o gaură care poate fi ocupată de un alt electron din banda de valență, adică atunci când se aplică un câmp electric, găurile se deplasează în banda de valență. - aparitia conductibilitatii electrice in banda de valenta - conductivitate gaura.

Eliberarea unui electron dintr-un nod al rețelei cristaline a unui semiconductor și transferul acestuia în banda de conducere necesită cheltuirea unei anumite energii de activare (ionizare). Această energie în semiconductori puri este egală cu diferența dintre energiile din partea inferioară a benzii de conducere și partea superioară a benzii de valență și se numește band gap. În semiconductori dopați, energia de activare este egală cu diferența dintre nivelurile de impurități donor și acceptor.

Întrucât apariția purtătorilor liberi în semiconductori necesită o energie de activare, la temperatură zero absolută și în absența iradierii externe, toți semiconductorii sunt izolatori. Pe măsură ce temperatura crește, unii dintre electroni trec din banda de valență în banda de conducție și apare conductivitatea electrică. La semiconductori dopați, nivelurile acceptorului sunt aproape de partea superioară a benzii de valență, iar nivelurile de impurități donatoare sunt aproape de partea inferioară a benzii de conducere; prin urmare, în semiconductorii dopați, ionizarea (apariția purtătorilor de sarcină) necesită o energie de activare foarte scăzută. ; prin urmare, în semiconductori ușor dopați, deja la temperatura camerei, toți atomii de impurități sunt ionizați și conducția este determinată în principal de concentrația dopantului.

Purtători de sarcină în electroliți

În electroliți , purtătorii de sarcină sunt ioni. În soluții și topituri de electroliți, unele dintre moleculele neutre din punct de vedere electric se descompun în particule încărcate cu un semn diferit de sarcină - ioni liberi. Ionii încărcați pozitiv se numesc cationi, anioni încărcați negativ. Sub acțiunea unui câmp electric, ionii se mișcă, formând un curent electric, iar anionii se deplasează împotriva vectorului intensității câmpului electric - la anod, iar cationii - la catod, în direcția de mișcare a ionilor. de un alt semn de taxă și și-au primit numele.

Există, de asemenea, solide cu un tip de conductivitate ionică - așa-numiții electroliți solizi . Electroliții solizi sunt cristale ionice , în care ionii din locurile rețelei cristaline sunt legați slab de rețea și pot migra prin cristal. Sub acțiunea unui câmp electric, ionii din electroliții solizi capătă o mișcare ordonată de-a lungul sau împotriva vectorului intensității câmpului electric, în funcție de semnul sarcinii. Exemple de electroliți solizi sunt iodura de argint cu conductivitate ionică de argint Ag + sau dioxid de zirconiu dopat cu oxid de metal de tranziție din grupa III a tabelului periodic , cu conductivitate ionică de oxigen O 2- din cauza locurilor libere în rețeaua cristalină, precum și mulți electroliți solizi și unii polimeri cu conductivitate ionică de hidrogen H + . În mulți electroliți solizi, de exemplu, în dioxidul de zirconiu dopat, conductivitatea ionică este realizată prin deplasarea golului - un ion de oxigen sub acțiunea unui câmp se deplasează într-un loc liber adiacent în rețeaua cristalină și rămâne acolo, un mecanism de conducere similar cu gaura. conducție în semiconductori.

Purtători de încărcare în vid și plasmă rarefiată

Purtătorii de sarcină în vid sunt electronii, ionii, alte particule elementare încărcate. Dacă vidul este mare, în cazurile în care calea liberă a particulei este mult mai mare decât dimensiunea considerată, adică numărul Knudsen este mult mai mare decât 1 particule încărcate - purtătorii de sarcină pot fi considerați neinteracționați și se mișcă în absența unui câmp electric în linie dreaptă și uniform până când se ciocnesc de peretele vasului. Când se aplică un câmp electric, particulele încărcate încep să se miște rapid sub acțiunea unei forțe electrice.

Un caz special de sarcini în vid este o plasmă foarte rarefiată  , un amestec neutru din punct de vedere electric de purtători de sarcină cu sarcini diferite.

Taxa de volum

De obicei, într-un mediu în care există purtători de sarcină liberi, sarcina totală a particulelor încărcate pozitiv este egală cu sarcina totală a particulelor încărcate negativ, prin urmare, un astfel de mediu este neutru din punct de vedere electric. Dar, în unele cazuri, sarcina totală a unuia dintre semne prevalează asupra încărcăturii totale a celuilalt semn. În acest caz, se vorbește de volum sau de sarcină de suprafață . Prezența unei sarcini de volum sau de suprafață generează un câmp electric în conformitate cu teorema Gauss . Câmpul electric determină mișcarea purtătorilor de sarcină și redistribuirea sarcinii spațiale, încercând să egalizeze concentrația sarcinilor de diferite semne. Prin urmare, pentru existența pe termen lung a unei taxe spațiale, trebuie să existe un mecanism de întreținere a acesteia. De exemplu, funcția de lucru a electronilor împiedică fluxul de sarcină din corpurile încărcate negativ.

Sarcina spațială emergentă joacă un rol important în procesele fizice din dispozitivele electrovacuum - sarcina spațială a electronilor în vid sau zonele de încărcare spațială în joncțiuni pn din dispozitivele semiconductoare, care decurg din contradifuzia electronilor și găurilor și diferența de potențial de contact .

Generarea și recombinarea purtătorilor de sarcină

În electroliți, semiconductori și plasmă, procesele de recombinare și ionizare a particulelor au loc simultan. Atomii și moleculele neutre din punct de vedere electric se descompun în particule încărcate - ionizare și, în același timp, particulele cu semne diferite sunt atrase unele de altele și formează particule neutre din punct de vedere electric - recombinare. În starea de echilibru, numărul de evenimente de recombinare și disociere pe unitatea de timp este egal unul cu celălalt, iar în mediu se stabilește o concentrație de echilibru a purtătorilor de sarcină. Sistemul, scos din starea de echilibru, trece treptat în mod spontan în echilibru. Constanta de timp pentru stabilirea unei concentrații de echilibru a sarcinilor se numește timp de relaxare .

Disocierea particulelor neutre are loc în principal datorită mișcării termice și vibrației particulelor, ciocnirilor lor. Deoarece disocierea necesită o anumită energie, numită energie de activare , atunci concentrația purtătorilor de sarcină, dacă nu există alți factori care împiedică disocierea termică, crește odată cu creșterea temperaturii. De aceea conductivitatea electrică a electroliților, semiconductorilor, plasmei incomplet ionizate crește odată cu creșterea temperaturii. Cantitativ, concentrația purtătorilor de sarcină dintr-o substanță în funcție de temperatură este exprimată prin ecuația Arrhenius .

Există un mecanism cunoscut de disociere în particule încărcate prin influență externă non-termică, de exemplu, radiație electromagnetică sau un flux de particule rapide, de exemplu, un curent de electroni, radiații ionizante . Sub o astfel de influență, concentrația purtătorilor de sarcină crește în comparație cu concentrația termică de echilibru. Absorbția unui foton sau a unei particule încărcate într-un semiconductor generează cu o oarecare probabilitate o pereche electron-gaură, acest fenomen este utilizat în diferite fotodetectoare semiconductoare și detectoare de particule semiconductoare. Macroscopic, o creștere a concentrației purtătorilor de sarcină se manifestă printr-o modificare a proprietăților electrice, cum ar fi conductivitatea electrică.

Recombinarea particulelor încărcate este însoțită de eliberarea de energie egală cu energia de disociere sau energia de ionizare. În cele mai multe cazuri, această energie se transformă în mișcare termică, dar se poate transforma în alte tipuri de energie, de exemplu, poate fi transportată de un foton, ca în diodele emițătoare de lumină și laserele semiconductoare în actele de recombinare a electronilor. perechi de găuri.

Calea liberă medie a purtătorilor de taxe

Distanța medie pe care mișcarea unui purtător de sarcină poate fi considerată independentă de prezența altor particule se numește calea liberă medie. De obicei, această distanță este egală cu lungimea traseului unei particule înainte de o coliziune cu o altă particulă, dar, de exemplu, într-o plasmă, lungimea căii este distanța până la o interacțiune electrostatică semnificativă cu o altă particulă de plasmă încărcată și o schimbare a direcției de mișcare. .

La electroliți, calea liberă medie este limitată de ciocniri; în metale, calea liberă medie a electronilor este limitată de împrăștierea electronilor pe atomi, defectele rețelei cristaline și vibrațiile sale termice - împrăștierea pe fononi .

În semiconductori, electronii și găurile sunt împrăștiate de defecte ale rețelei cristaline, atomi de impurități și fononi. În semiconductori puri, calea liberă medie poate atinge câțiva milimetri la temperaturi scăzute.

Într-un vid și o plasmă rarefiată, conceptul de cale liberă medie își pierde sensul, deoarece particulele nu interacționează. În mod convențional, putem presupune că lungimea căii libere este egală cu dimensiunile vasului.

Cu cât calea liberă medie este mai mare și cu cât concentrația purtătorului este mai mare, cu atât conductivitatea electrică este mai mare :

Note

1. ↑ Dicţionar enciclopedic fizic. — M.: Enciclopedia sovietică. Redactor-șef A. M. Prokhorov. 1983.