Electroni de conducere

Electronii de conducere  sunt electroni capabili să transporte o sarcină electrică într-un cristal, cvasiparticule încărcate negativ din metale și semiconductori , stări electronice în banda de conducție .

Electroni de conducție într-un metal

Metalul are o rețea cristalină formată din ioni pozitivi , în care se mișcă electronii delocalizați ai învelișurilor de valență . Acești electroni interacționează între ei și cu ionii de rețea. Energia potențială a acestor interacțiuni este de ordinul energiei cinetice a electronilor. Comportamentul electronilor într-un metal este similar cu comportamentul unui sistem de particule care nu interacționează între ele într-un câmp extern, care este câmpul mediu al ionilor de rețea și alți electroni. Câmpul mediu are proprietățile simetriei rețelei cristaline, în special, periodicitatea acestuia.

Pentru a simplifica descrierea caracteristicilor cinetice și termodinamice ale metalelor, a fost introdus conceptul de cvasiparticule - electroni de conducere (EC). EP dintr-un metal este un gaz Fermi degenerat de cvasiparticule care nu interacționează (cu spin ½), a cărui energie   este o funcție periodică a quasimomentului , a cărui perioadă este determinată de vectorii reciproci ai rețelei cristaline. Trebuie subliniat faptul că funcția include atât interacțiunea cu miezul ionic al rețelei cristaline, cât și interacțiunea electronilor între ei. Numărul de electroni este egal cu numărul de electroni delocalizați, sarcina lor este egală cu sarcina electronului . Cu toate acestea, masa efectivă a fasciculului de electroni nu este egală cu masa unui electron liber, este un tensor și, în cazul general, depinde de cvasi -impulsul . Când descriem mișcarea unui fascicul de electroni într-un câmp magnetic , rolul masei este jucat de masa ciclotronului , care poate fi negativă. În acest caz, mișcarea cvasiparticulei de-a lungul orbitei are loc în direcția opusă față de electron și este adesea numită „gaura”.

Conform teoriei Fermi-lichid a lui Landau , interacțiunea EP poate fi introdusă ca un câmp auto-consistent din cvasiparticulele înconjurătoare care acționează asupra uneia date. În acest caz, energia EP va depinde de starea altor cvasiparticule, adică, cu alte cuvinte, va fi o funcție funcțională a funcției lor de distribuție . [1] [2] [3]

Teoria semiclasică a conducerii

Din punct de vedere semiclasic , toți electronii dintr-un cristal sunt în mișcare constantă, totuși, într-o stare de echilibru, pentru fiecare electron care se mișcă în orice direcție, există exact un electron care se mișcă în direcția opusă și nici un transfer de sarcină electrică ( se observă fluxul de curent electric prin cristal). În timpul trecerii la o stare de neechilibru, pentru fluxul de curent electric, este necesar să se disperseze electronii (purtători de sarcină negativă) în direcția opusă fluxului de curent (transferul unei sarcini pozitive este luat ca sensul curentului). Cu toate acestea, acest lucru este asociat cu două dificultăți fundamentale: în primul rând, majoritatea câmpurilor externe acționează în mod egal asupra tuturor electronilor (de exemplu, un câmp electric acționează asupra oricărui electron cu o forță egală cu produsul dintre sarcina electronului și intensitatea câmpului ); și în al doilea rând, accelerația unui electron duce la o modificare a vitezei acestuia (sau, echivalent, a vectorului de undă ), care, în conformitate cu principiul Pauli , este permisă numai dacă există o stare neocupată în spațiul stărilor cu o astfel de undă. vector. Ca urmare, atunci când un câmp electric (magnetic sau alt câmp, de exemplu, un gradient de temperatură) este pornit, întregul set de electroni semiclasici din orice bandă de energie a cristalului tinde să se accelereze și, prin urmare, să se deplaseze colectiv în spațiul stărilor. (spațiul vectorilor de undă, k-spațiul). Cu toate acestea, în benzile de valență scăzute din punct de vedere energetic, toate stările libere sunt deja ocupate, iar principiul Pauli interzice o astfel de schimbare. În această aproximare , dielectricii pur și simplu nu se schimbă sub influența unui câmp extern, iar starea lor se dovedește a fi imposibil de distins de starea de echilibru în care nu curge nici un curent. Trebuie remarcat faptul că atunci când sunt aplicate câmpuri gigantice, electronii din izolatori pot trece și în stări din benzile învecinate, ceea ce duce fie la defalcare , fie la un comportament similar cu cel al semiconductorilor cu bandgap larg . Dacă, totuși, unele dintre stările din bandă se dovedesc a fi goale, atunci întregul set de electroni din ea (care umple suprafața Fermi) este deplasat împreună cu această suprafață în locuri libere. O astfel de bandă se numește bandă de conducție, deoarece unii dintre electronii din apropierea suprafeței Fermi deplasate se găsesc în stări care nu sunt compensate de electroni de pe partea opusă (și care se mișcă în direcția opusă) din cauza deplasării suprafeței, respectiv , sarcina transferată a acestor electroni este un curent electric. Este clar că cu cât numărul acestor electroni este mai mare, cu atât câmpul extern este mai puternic. În consecință, se poate observa, de asemenea, că principiul Pauli nu funcționează pentru bosoni , suprafața lor Fermi este un punct și, în consecință, toți bosonii dintr-un cristal sunt accelerați și încep să își transfere sarcina în același timp și nu pornind de la un strat subțire lângă suprafața Fermi, ca electronii) cu care și fenomenul de supraconductivitate este legat (în acest caz, bosonul este o pereche Cooper de doi electroni cu o sarcină de 2e).

Din punct de vedere semiclasic, electronii de conducție au multe caracteristici cu electronii liberi . Acest lucru se datorează faptului că, ca și electronii liberi, ei sunt înconjurați de stări neocupate în spațiul k. Cu toate acestea, datorită interacțiunii cu rețeaua cristalină, acestea sunt caracterizate de o lege diferită a dispersiei . Spinul unui electron de conducere nu este, de asemenea, neapărat 1/2, deși este întotdeauna împărțit la jumătate, adică electronii de conducere sunt fermioni .

Electronii de conducere sunt stări excitate într-un semiconductor. În propriul semiconductor, ele apar în tandem cu găurile , în acest sens, într-un semiconductor intrinsec există întotdeauna două benzi de conducție - într-una sunt multe stări libere, iar sarcina este transferată de electroni, iar în cealaltă sunt multe stări ocupate și este mai convenabil să vorbim despre conducerea orificiilor. În semiconductorii de tip n (sau de tip p), electronii trec în banda de conducție din stări localizate pe impurități (sau invers, trec în stări neocupate pe impurități, lăsând găuri), iar acolo banda de conducție va fi una, deoarece stările asupra impurităților nu formează benzi din cauza aranjamentului haotic al impurităților, iar conductivitatea difuză prin „ săritul ” electronilor între stările de impurități este de obicei mică.

Caracteristicile importante ale electronului de conducere sunt masa efectivă , mobilitatea , coeficientul de difuzie .

Electronii de conducție sunt unul dintre tipurile de purtători de sarcină în conductori și semiconductori și aduc o mare contribuție la conductivitatea lor electrică sau la conductibilitatea termică : după cum sa menționat deja, numai electronii de conducție își pot schimba energia atunci când sunt încălziți, deoarece numai ei au stări neocupate disponibile în apropiere.

Vezi și

• electroni de valență
• Polaroni

Literatură

• Ashcroft N., Mermin N. Fizica stării solide. M.: Mir, 1979.
• Kaganov M.I., Edelman V.S. Electroni de conducere. - Nauka, 1985. - 415 p.

Link -uri

1. ↑ I. M. Lifshits, M. Ya. Azbel, M. I. Kaganov . Teoria electronică a metalelor. M.: Nauka, 1971. - 416 p.
2. ↑ Abrikosov A. A. Fundamentele teoriei metalelor: Manual. — M .: Nauka, 1987. — 520 p.
3. ↑ E. M. Epstein. Electroni de conducere . Enciclopedia de fizică și tehnologie . (Rusă)