Condutividade elétrica de diversas substâncias. Condutividade eletrônica de metais

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Vamos começar com condutores metálicos. Conhecemos a característica corrente-tensão desses condutores, mas até agora nada foi dito sobre sua explicação do ponto de vista da teoria cinética molecular.
Os portadores de cargas livres nos metais são os elétrons. A sua concentração é elevada – cerca de 10 28 1/m 3. Esses elétrons participam do movimento térmico aleatório. Sob a influência de um campo elétrico, eles começam a se mover de maneira ordenada, com velocidade média da ordem de 10 -4 m/s.
Prova experimental da existência de elétrons livres em metais. A prova experimental de que a condutividade dos metais é devida ao movimento de elétrons livres foi dada nos experimentos de L.I. Mandelstam e ND Papaleksi (1913), B. Stewart e R. Tolman (1916). O esquema desses experimentos é o seguinte.
Um fio é enrolado em uma bobina, cujas extremidades são soldadas a dois discos de metal isolados um do outro ( Figura 16.1). Um galvanômetro é conectado às extremidades dos discos por meio de contatos deslizantes.

O molinete é colocado em rotação rápida e então parado abruptamente. Após uma parada repentina da bobina, partículas livres carregadas se movem por algum tempo em relação ao condutor por inércia e, portanto, surge uma corrente elétrica na bobina. A corrente existe por pouco tempo, pois devido à resistência do condutor, as partículas carregadas são desaceleradas e o movimento ordenado das partículas que forma a corrente é interrompido.
A direção da corrente neste experimento sugere que ela é criada pelo movimento de partículas carregadas negativamente. A carga transferida neste caso é proporcional à razão entre a carga das partículas que criam a corrente e a sua massa, ou seja, |q|/m. Portanto, medindo a carga que passa pelo galvanômetro durante a existência da corrente no circuito, foi possível determinar esta relação. Acabou sendo igual a 1,8 10 11 C/kg. Este valor coincidiu com a razão entre a carga do elétron e sua massa e/m, encontrado anteriormente em outros experimentos.
Movimento de elétrons em um metal. Os elétrons, sob a influência da força do campo elétrico que atua sobre eles, adquirem uma certa velocidade de movimento ordenado. Essa velocidade não aumenta ainda mais com o tempo, pois, ao colidir com os íons da rede cristalina, os elétrons perdem o movimento direcional e, novamente, sob a influência de um campo elétrico, começam a se mover direcionalmente. Como resultado, a velocidade média do movimento ordenado dos elétrons acaba sendo proporcional à intensidade do campo elétrico no condutor v~E e, conseqüentemente, a diferença de potencial nas extremidades do condutor, uma vez que , Onde eu- comprimento do condutor.
A intensidade da corrente no condutor é proporcional à velocidade do movimento ordenado das partículas (ver fórmula (15.2)). Portanto, podemos dizer que a intensidade da corrente é proporcional à diferença de potencial nas extremidades do condutor: EU~você. Isso é explicação qualitativa da lei de Ohm baseado na teoria eletrônica da condutividade metálica.
É impossível construir uma teoria quantitativa satisfatória do movimento dos elétrons em um metal baseada nas leis da mecânica clássica. O facto é que as condições para o movimento dos electrões num metal são tais que a mecânica clássica de Newton não é aplicável para descrever este movimento.
Isto é mais claramente visto no exemplo a seguir. Se determinarmos experimentalmente a energia cinética média do movimento térmico dos elétrons em um metal à temperatura ambiente e encontrarmos a temperatura correspondente a essa energia, obteremos uma temperatura da ordem de 10 5 -10 6 K. Tal temperatura existe dentro estrelas. O movimento dos elétrons em um metal obedece às leis da mecânica quântica.
Foi provado experimentalmente que os elétrons são os portadores de cargas livres nos metais. Sob a influência de um campo elétrico, os elétrons se movem a uma velocidade média constante, sofrendo uma influência retardadora da rede cristalina. A velocidade do movimento ordenado dos elétrons é diretamente proporcional à intensidade do campo no condutor.

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1. A bobina (ver Fig. 16.1) girou no sentido horário e depois desacelerou bruscamente. Qual é o sentido da corrente elétrica na bobina no momento da frenagem?
2. Como a velocidade do movimento ordenado dos elétrons em um condutor metálico depende da tensão nas extremidades do condutor?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Física 10ª série

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Como os elétrons se movem em um condutor metálico quando não há campo elétrico nele?
Como o movimento dos elétrons muda quando uma voltagem é aplicada a um condutor metálico?

A corrente elétrica é conduzida por corpos sólidos, líquidos e gasosos. Como esses condutores são diferentes uns dos outros?

Você se familiarizou com a corrente elétrica em condutores metálicos e com a característica corrente-tensão estabelecida experimentalmente para esses condutores - a lei de Ohm.

Junto com os metais, bons condutores, ou seja, substâncias com um grande número de partículas carregadas livres, são soluções aquosas ou derretimentos de eletrólitos e gás ionizado - plasma. Esses condutores são amplamente utilizados em tecnologia.

Em dispositivos eletrônicos a vácuo, a corrente elétrica é formada por fluxos de elétrons.

Condutores metálicos são amplamente utilizados na transmissão de eletricidade de fontes de corrente para os consumidores. Além disso, esses condutores são utilizados em motores e geradores elétricos, dispositivos de aquecimento elétrico, etc.

Exceto condutores E dielétricos(substâncias com um número relativamente pequeno de partículas carregadas livres), existe um grupo de substâncias cuja condutividade é intermediária entre condutores e dielétricos. Essas substâncias não conduzem eletricidade suficientemente bem para serem chamadas de condutoras, mas não tão mal a ponto de serem classificadas como dielétricas. É por isso que eles têm o nome semicondutores.

Durante muito tempo, os semicondutores não desempenharam um papel prático significativo. Na engenharia elétrica e na engenharia de rádio, foram utilizados exclusivamente vários condutores e dielétricos. A situação mudou significativamente quando a possibilidade facilmente viável de controlar a condutividade elétrica dos semicondutores foi inicialmente prevista teoricamente e depois descoberta e estudada.

Não existe portadora de corrente universal. A tabela mostra as operadoras atuais em vários ambientes.

Condutividade eletrônica de metais.

Os portadores de cargas livres nos metais são os elétrons. A sua concentração é elevada – cerca de 10 28 1/m 3.

Esses elétrons participam do movimento térmico aleatório. Sob a influência de um campo elétrico, eles começam a se mover de maneira ordenada, com velocidade média da ordem de 10 -4 m/s.

Prova experimental da existência de elétrons livres em metais.

A prova experimental de que a condutividade dos metais se deve ao movimento de elétrons livres foi dada nos experimentos de Mandelstam e Papaleksi (1913), Stewart e Tolman (1916). O esquema desses experimentos é o seguinte.

Um fio é enrolado em uma bobina, cujas extremidades são soldadas a dois discos de metal isolados um do outro (Fig. 16.1). Um galvanômetro é conectado às extremidades dos discos por meio de contatos deslizantes.

O molinete é colocado em rotação rápida e então parado abruptamente. Após uma parada repentina da bobina, partículas carregadas livres se movem por algum tempo em relação ao condutor por inércia e, conseqüentemente, surge uma corrente elétrica na bobina. A corrente existe por pouco tempo, pois devido à resistência do condutor, as partículas carregadas são desaceleradas e o movimento ordenado das partículas que forma a corrente é interrompido.

A direção da corrente neste experimento sugere que ela é criada pelo movimento de partículas carregadas negativamente. A carga transferida neste caso é proporcional à razão entre a carga das partículas que criam a corrente e a sua massa, ou seja, |q|/m. Portanto, medindo a carga que passa pelo galvanômetro durante a existência da corrente no circuito, foi possível determinar esta relação. Acabou sendo igual a 1,8 10 11 C/kg. Este valor coincidiu com a razão entre a carga do elétron e sua massa e/m, encontrada anteriormente em outros experimentos.

Movimento de elétrons em um metal.

Os elétrons livres em um metal se movem aleatoriamente. Quando um condutor é conectado a uma fonte de corrente, um campo elétrico é criado nele e a força de Coulomb = q e começa a atuar sobre os elétrons. Sob a influência dessa força, os elétrons começam a se mover direcionalmente, ou seja, o movimento caótico dos elétrons se sobrepõe à velocidade do movimento direcional e aumenta por algum tempo t 0 até que os elétrons colidam com os íons da rede cristalina. Nesse caso, os elétrons perdem a direção do movimento e então começam a se mover direcionalmente novamente. Assim, a velocidade do movimento direcional do elétron muda de zero a um certo valor máximo igual a. Como resultado, a velocidade média do movimento ordenado dos elétrons acaba sendo igual, ou seja, proporcional à intensidade do campo elétrico no condutor: υ ~ E e, portanto, a diferença de potencial nas extremidades do condutor, assim como onde l é o comprimento do condutor.

A intensidade da corrente no condutor é proporcional à velocidade do movimento ordenado das partículas (ver fórmula (15.2)). Portanto, podemos dizer que a intensidade da corrente é proporcional à diferença de potencial nas extremidades do condutor: I ~ U.

Isso é explicação qualitativa da lei de Ohm baseado na teoria eletrônica da condutividade metálica.

É impossível construir uma teoria quantitativa satisfatória do movimento dos elétrons em um metal baseada nas leis da mecânica clássica. O facto é que as condições para o movimento dos electrões num metal são tais que a mecânica clássica de Newton não é aplicável para descrever este movimento. Este fato confirma, por exemplo, a dependência da resistência com a temperatura. De acordo com a teoria clássica dos metais, na qual o movimento dos elétrons é considerado com base na segunda lei de Newton, a resistência de um condutor é proporcional, mas a experiência mostra uma dependência linear da resistência com a temperatura.

A passagem de corrente através de metais (condutores de primeiro tipo) não é acompanhada de alteração química (§ 40). Esta circunstância sugere que os átomos metálicos não se movem de uma seção do condutor para outra quando a corrente passa. Esta suposição foi confirmada pelos experimentos do físico alemão Karl Viktor Eduard Rikke (1845-1915). Rikke compôs uma corrente que incluía três cilindros firmemente pressionados entre si nas extremidades, dos quais os dois mais externos eram de cobre e o do meio era de alumínio. Uma corrente elétrica passou por esses cilindros por muito tempo (mais de um ano), de modo que a quantidade total de eletricidade fluiu atingiu um valor enorme (mais de 3.000.000 C). Fazendo então uma análise minuciosa do local de contato entre o cobre e o alumínio, Rikke não conseguiu detectar vestígios de penetração de um metal no outro. Assim, quando a corrente passa pelos metais, os átomos do metal não se movem junto com a corrente.

Como ocorre a transferência de carga quando a corrente passa por um metal?

De acordo com os conceitos da teoria eletrônica, que utilizamos repetidamente, as cargas negativas e positivas que compõem cada átomo são significativamente diferentes umas das outras. A carga positiva está associada ao próprio átomo e, em condições normais, é inseparável da parte principal do átomo (seu núcleo). Cargas negativas - elétrons, que possuem uma certa carga e massa, quase 2.000 vezes menor que a massa do átomo mais leve - o hidrogênio, podem ser separados com relativa facilidade do átomo; um átomo que perde um elétron forma um íon com carga positiva. Nos metais há sempre um número significativo de elétrons “livres” separados dos átomos, que vagam pelo metal, passando de um íon para outro. Esses elétrons, sob a influência de um campo elétrico, movem-se facilmente através do metal. Os íons constituem o esqueleto do metal, formando sua estrutura cristalina (ver Volume I).

Um dos fenômenos mais convincentes que revela a diferença entre cargas elétricas positivas e negativas em um metal é o efeito fotoelétrico mencionado no § 9, que mostra que os elétrons podem ser arrancados do metal com relativa facilidade, enquanto as cargas positivas estão fortemente ligadas ao metal. substância do metal. Como os átomos e, portanto, as cargas positivas a eles associadas, não se movem ao longo do condutor durante a passagem da corrente, os elétrons livres devem ser considerados portadores de eletricidade no metal. A confirmação direta dessas ideias foram experimentos importantes realizados pela primeira vez em 1912 por L. I. Mandelstam e N. D. Papaleksi, mas não publicados por eles. Quatro anos depois (1916), R. C. Tolman e T. D. Stewart publicaram os resultados de seus experimentos, que se revelaram semelhantes aos experimentos de Mandelstam e Papaleksi.

Ao montar esses experimentos, partimos do seguinte pensamento. Se houver cargas livres em um metal que tenha massa, elas deverão obedecer à lei da inércia (ver Volume I). Um condutor que se move rapidamente, por exemplo, da esquerda para a direita, é um conjunto de átomos de metal que se movem nessa direção, carregando consigo cargas livres. Quando tal condutor para repentinamente, os átomos incluídos em sua composição param; cargas livres, por inércia, devem continuar a se mover da esquerda para a direita até que vários obstáculos (colisões com átomos parados) as detenham. O fenômeno ocorrido é semelhante ao observado quando um bonde para repentinamente, quando objetos “soltos” e pessoas não presas ao carro continuam avançando por algum tempo por inércia.

Assim, por um curto período de tempo após a parada do condutor, as cargas livres nele devem se mover em uma direção. Mas o movimento das cargas em uma determinada direção é uma corrente elétrica. Conseqüentemente, se nosso raciocínio estiver correto, então, após uma parada repentina do condutor, devemos esperar o aparecimento de uma corrente de curto prazo nele. A direção desta corrente nos permitirá julgar o sinal das cargas que se moviam por inércia; se cargas positivas se moverem da esquerda para a direita, então será encontrada uma corrente direcionada da esquerda para a direita; se cargas negativas se movem nessa direção, então uma corrente deve ser observada na direção da direita para a esquerda. A corrente resultante depende das cargas e da capacidade de seus portadores manterem seu movimento por inércia por um tempo mais ou menos longo, apesar da interferência, ou seja, de sua massa. Assim, esta experiência não só permite testar a suposição sobre a existência de cargas livres no metal, mas também determinar as próprias cargas, o seu sinal e a massa dos seus portadores (mais precisamente, a relação entre carga e massa) .

Na implementação prática do experimento, revelou-se mais conveniente usar não o movimento translacional, mas o movimento rotacional do condutor. Um diagrama de tal experimento é mostrado na Fig. 141. Em uma bobina na qual são inseridos dois semieixos, uma espiral de fio 1 é montada. As extremidades da espiral são soldadas a ambas as metades do eixo e, por meio de contatos deslizantes 2 (“escovas”), são conectadas a. um galvanômetro sensível 3. A bobina é colocada em rotação rápida e depois desacelerada repentinamente. O experimento realmente revelou que, neste caso, surgiu uma corrente elétrica no galvanômetro. A direção desta corrente mostrou que cargas negativas se moviam por inércia. Medindo a carga transportada por esta corrente de curto prazo, foi possível encontrar a relação entre a carga livre e a massa do seu portador. Essa relação acabou sendo igual a C/kg, o que coincide bem com o valor dessa razão para elétrons determinado por outros métodos.

Arroz. 141. Estudo da natureza da corrente elétrica em metais

Portanto, experimentos mostram que os metais possuem elétrons livres. Esses experimentos são uma das confirmações mais importantes da teoria eletrônica dos metais. A corrente elétrica nos metais representa o movimento ordenado dos elétrons livres (em oposição ao seu movimento térmico aleatório, que está sempre presente em um condutor).

86.1. O disco de metal descarregado é colocado em rotação rápida e assim se torna uma “centrífuga de elétrons”. Surge uma diferença de potencial entre o centro e a periferia do disco (Fig. 142; 1 – disco, 2 – contatos, 3 – eletrômetro). Qual será o sinal dessa diferença?

Arroz. 142. Para o exercício 86.1

86.2. Um fio de prata com seção transversal de 1 mm2 transporta uma corrente de 1 A. Calcule a velocidade média do movimento ordenado dos elétrons neste fio, assumindo que cada átomo de prata fornece um elétron livre. A densidade da prata é kg/m3, sua massa atômica relativa é 108. Constante de Avogadro mol-1.

86.3. Quantos elétrons devem passar pela seção transversal do fio a cada segundo para que uma corrente de 2 A flua no fio? A carga de um elétron é Cl.

A teoria clássica da condutividade elétrica dos metais originou-se no início do século XX. Seu fundador foi o físico alemão Karl Rikke. Ele estabeleceu experimentalmente que a passagem de uma carga através de um metal não envolve a transferência de átomos condutores, ao contrário dos eletrólitos líquidos. No entanto, esta descoberta não explicou o que exatamente é o portador dos impulsos elétricos na estrutura metálica.

Os experimentos dos cientistas Stewart e Tolman, realizados em 1916, permitiram-nos responder a esta questão. Eles conseguiram estabelecer que as menores partículas carregadas - os elétrons - são responsáveis pela transferência de eletricidade nos metais. Esta descoberta formou a base da teoria eletrônica clássica da condutividade elétrica dos metais. A partir deste momento iniciou-se uma nova era de pesquisas em condutores metálicos. Graças aos resultados obtidos, hoje temos a oportunidade de utilizar eletrodomésticos, equipamentos de produção, máquinas e muitos outros dispositivos.

Como difere a condutividade elétrica de diferentes metais?

A teoria eletrônica da condutividade elétrica dos metais foi desenvolvida na pesquisa de Paul Drude. Ele foi capaz de descobrir uma propriedade como a resistência, que é observada quando uma corrente elétrica passa por um condutor. No futuro, isto permitirá classificar diferentes substâncias de acordo com o seu nível de condutividade. A partir dos resultados obtidos, é fácil entender qual metal é adequado para a fabricação de um determinado cabo. Este é um ponto muito importante, pois o material selecionado incorretamente pode causar incêndio por superaquecimento pela passagem de excesso de corrente de tensão.

O metal prateado tem a maior condutividade elétrica. A uma temperatura de +20 graus Celsius, é 63,3 * 104 centímetros-1. Mas fazer fiação de prata é muito caro, por se tratar de um metal bastante raro, usado principalmente para a produção de joias e itens decorativos ou moedas de ouro.

O metal com maior condutividade elétrica entre todos os elementos do grupo base é o cobre. Seu indicador é 57*104 centímetros-1 a uma temperatura de +20 graus Celsius. O cobre é um dos condutores mais comuns utilizados para fins domésticos e industriais. Suporta bem cargas elétricas constantes, é durável e confiável. O alto ponto de fusão permite trabalhar por muito tempo em estado aquecido sem problemas.

Em termos de abundância, apenas o alumínio pode competir com o cobre, que ocupa o quarto lugar em condutividade elétrica, depois do ouro. É utilizado em redes de baixa tensão, pois possui quase metade do ponto de fusão do cobre e não suporta cargas extremas. A distribuição adicional de locais pode ser encontrada observando a tabela de condutividade elétrica dos metais.

Vale a pena notar que qualquer liga tem uma condutividade muito menor que a substância pura. Isso se deve à fusão da rede estrutural e, como consequência, à interrupção do funcionamento normal dos elétrons. Por exemplo, na produção de fio de cobre, utiliza-se um material com teor de impurezas não superior a 0,1% e, para alguns tipos de cabos, esse indicador é ainda mais rigoroso - não superior a 0,05%. Todos os indicadores fornecidos são a condutividade elétrica dos metais, que é calculada como a razão entre a densidade da corrente e a magnitude do campo elétrico no condutor.

Teoria clássica da condutividade elétrica dos metais

Os princípios básicos da teoria da condutividade elétrica dos metais contêm seis pontos. Primeiro: um alto nível de condutividade elétrica está associado à presença de um grande número de elétrons livres. Segundo: a corrente elétrica surge através de influência externa no metal, durante a qual os elétrons passam de um movimento aleatório para um movimento ordenado.

Terceiro: a intensidade da corrente que passa por um condutor metálico é calculada de acordo com a lei de Ohm. Quarto: diferentes números de partículas elementares na rede cristalina levam a resistências desiguais dos metais. Quinto: a corrente elétrica no circuito surge instantaneamente após o início da exposição aos elétrons. Sexto: à medida que a temperatura interna do metal aumenta, o nível de sua resistência também aumenta.

A natureza da condutividade elétrica dos metais é explicada pelo segundo ponto das disposições. Num estado silencioso, todos os elétrons livres giram caoticamente em torno do núcleo. Neste momento, o metal não é capaz de reproduzir cargas elétricas de forma independente. Mas assim que você conecta uma fonte externa de influência, os elétrons instantaneamente se alinham em uma sequência estruturada e se tornam portadores de corrente elétrica. Com o aumento da temperatura, a condutividade elétrica dos metais diminui.

Isso se deve ao fato de que as ligações moleculares na rede cristalina enfraquecem, as partículas elementares começam a girar de forma ainda mais caótica, tornando a formação de elétrons em uma cadeia mais complicada. Portanto, é necessário tomar medidas para evitar o superaquecimento dos condutores, pois isso afeta negativamente suas propriedades de desempenho. O mecanismo de condutividade elétrica dos metais não pode ser alterado devido às leis atuais da física. Mas é possível neutralizar as influências externas e internas negativas que interferem no curso normal do processo.

Metais com alta condutividade elétrica

A condutividade elétrica dos metais alcalinos é de alto nível, pois seus elétrons estão fracamente ligados ao núcleo e se alinham facilmente na sequência desejada. Mas esse grupo é caracterizado por baixos pontos de fusão e enorme atividade química, o que na maioria das vezes não permite sua utilização na fabricação de fios.

Metais com alta condutividade elétrica quando abertos são muito perigosos para os seres humanos. Tocar em um fio desencapado resultará em queimadura elétrica e uma forte descarga em todos os órgãos internos. Isso geralmente resulta em morte instantânea. Portanto, materiais isolantes especiais são utilizados para a segurança das pessoas.

Dependendo da aplicação, podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Mas todos os tipos são projetados para uma função – isolar a corrente elétrica dentro do circuito para que não possa afetar o mundo exterior. A condutividade eléctrica dos metais é utilizada em quase todas as áreas da vida humana moderna, pelo que garantir a segurança é uma prioridade máxima.

Consideremos o comportamento dos elétrons de condução em um metal em estado de desequilíbrio, quando se movem sob a influência de campos externos aplicados. Tais processos são chamados fenômenos de transferência.

Como é sabido, condutividade elétrica (condutividade elétrica) o é uma quantidade que relaciona a densidade e a tensão da corrente elétrica na lei local de Ohm: j - oE(ver fórmula (14.15) parte 1). Todas as substâncias de acordo com a natureza da condutividade elétrica são divididas em três classes: metais, semicondutores e dielétricos.

Característica metaisé a sua condutividade metálica - uma diminuição na condutividade elétrica com o aumento da temperatura (com uma concentração constante de portadores de corrente). A causa física da resistência elétrica nos metais é a dispersão das ondas eletrônicas por impurezas e defeitos de rede, bem como por fônons.

A característica mais significativa semicondutoresé a sua capacidade de alterar suas propriedades em uma faixa extremamente ampla sob a influência de várias influências: temperatura, campos elétricos e magnéticos, iluminação, etc. Por exemplo, a condutividade intrínseca de semicondutores puros aumenta exponencialmente quando aquecidos.

No T> 300 K, a condutividade específica o de materiais relacionados a semicondutores varia em uma ampla faixa de 10~5 a 10 6 (Ohm m) -1, enquanto para metais o é superior a 10 6 (Ohm m) -1.

Substâncias com baixa condutividade específica são da ordem de 10~ 5 (Ohm m) -1 ou menos, consulte dielétricos. A condutividade ocorre em temperaturas muito altas.

A teoria quântica leva à seguinte expressão para condutividade elétrica metais:

Onde P- concentração de elétrons livres; t - tempo de relaxamento; T* - massa efetiva de um elétron.

Tempo de relaxar caracteriza o processo de estabelecimento de equilíbrio entre os elétrons e a rede, interrompido, por exemplo, pela inclusão repentina de um campo externo E.

O termo “elétron livre” significa que o elétron não é afetado por nenhum campo de força. Movimento de um elétron de condução em um cristal sob a influência de uma força externa F e as forças da rede cristalina em alguns casos podem ser descritas como o movimento de um elétron livre, que é acionado apenas pela força F(Segunda lei de Newton, ver fórmula (3.5) parte 1), mas com uma massa efetiva T*, diferente da massa ou seja elétron livre.

Cálculos usando a expressão (30.18) mostram que a condutividade elétrica dos metais o~1/T. O experimento confirma esta conclusão da teoria quântica, enquanto de acordo com a teoria clássica

o ~ l/fr.

EM semicondutores a concentração de portadores móveis é significativamente menor que a concentração de átomos e pode mudar com mudanças de temperatura, iluminação, irradiação com fluxo de partículas, exposição a um campo elétrico ou introdução de uma quantidade relativamente pequena de impurezas. Os portadores de carga em semicondutores na banda de condução são elétrons (elétrons de condução) e na banda de valência - quasipartículas carregadas positivamente buracos. Quando um elétron está faltando na banda de valência por qualquer motivo, diz-se que ele formou uma lacuna (estado vazio). Os conceitos de buracos e elétrons de condução são usados para descrever o sistema eletrônico de semicondutores, semimetais e metais.

Em um estado de equilíbrio termodinâmico, as concentrações de elétrons e lacunas em semicondutores dependem tanto da temperatura e da concentração de impurezas eletricamente ativas, quanto do band gap A E.

Existem semicondutores intrínsecos e de impureza. Semicondutores próprios são semicondutores quimicamente puros (por exemplo, germânio Ge, selênio Se). O número de elétrons neles é igual ao número de lacunas. Condutividade tais semicondutores são chamados ter.

Em semicondutores intrínsecos em T= OK a banda de valência está completamente preenchida e a banda de condução está livre. Portanto, quando T = Na ausência de excitação externa, os semicondutores intrínsecos comportam-se como dielétricos. À medida que a temperatura aumenta devido à excitação térmica, os elétrons dos níveis superiores da banda de valência se moverão para a banda de condução. Ao mesmo tempo, torna-se possível que os elétrons da banda de valência se movam para os níveis superiores desocupados. Elétrons na banda de condução e lacunas na banda de valência contribuirão para a condutividade elétrica.

A energia necessária para transferir um elétron da banda de valência para a banda de condução é chamada energia de ativação própria condutividade.

Quando um campo elétrico externo é aplicado a um cristal, os elétrons se movem contra o campo e criam uma corrente elétrica. Num campo externo, quando um elétron de valência vizinho é movido para um lugar vago, um buraco é “embaralhado” em seu lugar. Como resultado, o buraco, assim como o elétron que passou para a banda de condução, se moverá através do cristal, mas na direção oposta ao movimento do elétron. Formalmente, uma partícula com carga positiva igual ao valor absoluto da carga do elétron se move ao longo do cristal na direção do campo. Para levar em conta o efeito do campo interno do cristal nas cargas elementares, o conceito de massa efetiva w* é introduzido para buracos. Portanto, ao resolver problemas, podemos assumir que um buraco com massa efetiva se move apenas sob a influência de um campo externo.

Num campo externo, a direção das velocidades dos elétrons e dos buracos é oposta, mas a corrente elétrica que eles criam tem a mesma direção - a direção do campo elétrico. Assim, a densidade de corrente durante a condutividade intrínseca de um semicondutor é a soma da densidade de corrente dos elétrons em e e dos buracos em d:

A condutividade elétrica o é proporcional ao número de portadoras, o que significa que pode ser provado que para semicondutores intrínsecos

e depende da temperatura de acordo com uma lei exponencial. A contribuição para o de elétrons e buracos é diferente, o que é explicado pela diferença em suas massas efetivas.

Em temperaturas relativamente altas, a condutividade intrínseca predomina em todos os semicondutores. Caso contrário, as propriedades elétricas de um semicondutor são determinadas por impurezas (átomos de outros elementos), e então falamos sobre condutividade da impureza. A condutividade elétrica consistirá em condutividades intrínsecas e de impurezas.

Semicondutores de impurezas são chamados de semicondutores, cujos átomos individuais são substituídos por impurezas. A concentração de elétrons e buracos neles difere significativamente. As impurezas que fornecem elétrons são chamadas doadores. As impurezas que capturam elétrons da banda de valência são chamadas aceitantes.

Como resultado da introdução de uma impureza no band gap, níveis adicionais de energia eletrônica permitidos aparecem no band gap próximo ou na parte inferior da banda de condução ( níveis de doadores), ou para o topo da banda de valência ( níveis de aceitador). Isso aumenta significativamente a condutividade elétrica dos semicondutores.

Em semicondutores tipo i (do inglês, negativo - negativo) com impureza doadora, é implementado mecanismo de condução eletrônica. A condutividade neles é garantida pelo excesso de elétrons da impureza, cuja valência é uma unidade maior que a valência dos átomos principais.

Em semicondutores tipo p (do inglês, positivo - positivo) com uma impureza aceitadora, é implementado mecanismo de condução de furo. A condutividade neles é fornecida por buracos devido à introdução de uma impureza, cuja valência é um a menos que a valência dos átomos principais.

Uma prova convincente da realidade dos buracos positivos é fornecida por Efeito Hall(1879). Este efeito consiste no aparecimento em um metal (ou semicondutor) com densidade de corrente y, colocado em um campo magnético EM, campo elétrico adicional na direção perpendicular a EM e você. A utilização do efeito Hall (medição do coeficiente Hall dependendo da substância) permite determinar a concentração e mobilidade dos portadores de carga em um condutor, bem como determinar a natureza da condutividade do semicondutor (eletrônico ou buraco).

Atualmente, no desenvolvimento de materiais para microeletrônica, diversos materiais semicondutores são criados, inclusive aqueles com amplo bandgap. Os microcircuitos semicondutores são considerados uma das áreas promissoras da microeletrônica, permitindo a criação de circuitos integrados confiáveis e funcionalmente complexos.