>>Fizica: Conductivitatea electronică a metalelor
Să începem cu conductorii metalici. Cunoaștem caracteristica curent-tensiune a acestor conductori, dar până acum nu s-a spus nimic despre explicația ei din punctul de vedere al teoriei cinetice moleculare.
Purtătorii de sarcini libere în metale sunt electronii. Concentrația lor este mare - aproximativ 10 28 1/m 3. Acești electroni participă la mișcarea termică aleatorie. Sub influența unui câmp electric, ele încep să se miște ordonat cu o viteză medie de ordinul a 10 -4 m/s.
Dovada experimentală a existenței electronilor liberi în metale. Dovada experimentală că conductivitatea metalelor se datorează mișcării electronilor liberi a fost dată în experimentele lui L.I Mandelstam și N.D. Papaleksi (1913), B. Stewart și R. Tolman (1916). Schema acestor experimente este următoarea.
Un fir este înfășurat pe o bobină, ale cărei capete sunt lipite pe două discuri metalice izolate unul de celălalt ( Fig.16.1). Un galvanometru este conectat la capetele discurilor folosind contacte glisante.
Bobina este adusă în rotație rapidă și apoi oprită brusc. După o oprire bruscă a bobinei, particulele încărcate libere se mișcă un timp în raport cu conductorul prin inerție și, prin urmare, în bobină ia naștere un curent electric. Curentul există pentru o perioadă scurtă de timp, deoarece din cauza rezistenței conductorului, particulele încărcate sunt încetinite și mișcarea ordonată a particulelor care formează curentul se oprește.
Direcția curentului în acest experiment sugerează că acesta este creat de mișcarea particulelor încărcate negativ. Sarcina transferată în acest caz este proporțională cu raportul dintre sarcina particulelor care creează curent și masa lor, adică. |q|/m. Prin urmare, prin măsurarea sarcinii care trece prin galvanometru în timpul existenței curentului în circuit, a fost posibil să se determine acest raport. S-a dovedit a fi egal cu 1,8 10 11 C/kg. Această valoare a coincis cu raportul dintre sarcina electronului și masa sa e/m, găsit mai devreme din alte experimente.
Mișcarea electronilor într-un metal. Electronii, sub influența forței care acționează asupra lor din câmpul electric, capătă o anumită viteză de mișcare ordonată. Această viteză nu crește în continuare în timp, deoarece, ciocnând cu ionii rețelei cristaline, electronii pierd mișcarea direcțională și apoi din nou, sub influența unui câmp electric, încep să se miște direcțional. Ca urmare, viteza medie a mișcării ordonate a electronilor se dovedește a fi proporțională cu intensitatea câmpului electric din conductor. v~E si, in consecinta, diferenta de potential la capetele conductorului, deoarece 
, Unde l- lungimea conductorului.
Puterea curentului în conductor este proporțională cu viteza deplasării ordonate a particulelor (vezi formula (15.2)). Prin urmare, putem spune că puterea curentului este proporțională cu diferența de potențial la capetele conductorului: eu~U. Aceasta este explicație calitativă a legii lui Ohm bazată pe teoria electronică a conductivității metalelor.
Este imposibil să se construiască o teorie cantitativă satisfăcătoare a mișcării electronilor într-un metal bazată pe legile mecanicii clasice. Faptul este că condițiile pentru mișcarea electronilor într-un metal sunt astfel încât mecanica clasică a lui Newton nu este aplicabilă pentru a descrie această mișcare.
Acest lucru se vede cel mai clar din exemplul următor. Dacă determinăm experimental energia cinetică medie a mișcării termice a electronilor într-un metal la temperatura camerei și găsim temperatura corespunzătoare acestei energii, vom obține o temperatură de ordinul a 10 5 -10 6 K. O astfel de temperatură există în interior. stele. Mișcarea electronilor într-un metal respectă legile mecanicii cuantice.
S-a dovedit experimental că electronii sunt purtătorii de sarcini libere în metale. Sub influența unui câmp electric, electronii se mișcă cu o viteză medie constantă, experimentând o influență de întârziere a rețelei cristaline. Viteza de mișcare ordonată a electronilor este direct proporțională cu intensitatea câmpului din conductor.
???
1. Bobina (vezi Fig. 16.1) sa rotit în sensul acelor de ceasornic și apoi a fost încetinită brusc. Care este direcția curentului electric din bobină în momentul frânării?
2. Cum depinde viteza de mișcare ordonată a electronilor într-un conductor metalic de tensiunea de la capetele conductorului?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a X-a
Conținutul lecției notele de lecție sprijinirea metodelor de accelerare a prezentării lecției cadru tehnologii interactive Practica sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, întrebări teme pentru acasă întrebări de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini, grafice, tabele, diagrame, umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole trucuri pentru pătuțurile curioși manuale dicționar de bază și suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment dintr-un manual, elemente de inovație în lecție, înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul; Lecții integrateDacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,
« Fizica - clasa a X-a"
Cum se mișcă electronii într-un conductor metalic când nu există câmp electric în el?
Cum se schimbă mișcarea electronilor atunci când o tensiune este aplicată unui conductor metalic?
Curentul electric este condus de corpuri solide, lichide și gazoase. În ce fel sunt diferiți acești conductori unul de celălalt?
Te-ai familiarizat cu curentul electric din conductorii metalici și cu caracteristica curent-tensiune stabilită experimental a acestor conductori - legea lui Ohm.
Alături de metale, buni conductori, adică substanțele cu un număr mare de particule încărcate libere, sunt soluții apoase sau topituri de electroliți și gaz ionizat - plasmă. Acești conductori sunt utilizați pe scară largă în tehnologie.
În dispozitivele electronice cu vid, curentul electric este format din fluxurile de electroni.
Conductorii metalici sunt folosiți pe scară largă în transportul energiei electrice din surse de curent către consumatori. În plus, acești conductori sunt utilizați în motoare și generatoare electrice, dispozitive electrice de încălzire etc.
Cu excepţia conductoareŞi dielectrice(substanțe cu un număr relativ mic de particule încărcate libere), există un grup de substanțe a căror conductivitate este intermediară între conductori și dielectrici. Aceste substanțe nu conduc electricitatea suficient de bine pentru a fi numite conductori, dar nu atât de slab încât să fie clasificate drept dielectrici. De aceea au primit numele semiconductori.
Multă vreme, semiconductorii nu au jucat un rol practic semnificativ. În inginerie electrică și inginerie radio s-au folosit exclusiv diverși conductori și dielectrici. Situația s-a schimbat semnificativ atunci când posibilitatea ușor fezabilă de a controla conductivitatea electrică a semiconductorilor a fost mai întâi prezisă teoretic, apoi descoperită și studiată.
Nu există un purtător de curent universal. Tabelul prezintă transportatorii actuali în diverse medii.
Conductibilitatea electronică a metalelor.
Să începem cu conductorii metalici. Cunoaștem caracteristica curent-tensiune a acestor conductori, dar până acum nu s-a spus nimic despre explicația ei din punctul de vedere al teoriei cinetice moleculare.
Purtătorii de sarcini libere în metale sunt electronii. Concentrația lor este mare - aproximativ 10 28 1/m 3.
Acești electroni participă la mișcarea termică aleatorie. Sub influența unui câmp electric, ele încep să se miște ordonat cu o viteză medie de ordinul a 10 -4 m/s.
Dovada experimentală a existenței electronilor liberi în metale.
Dovada experimentală că conductivitatea metalelor se datorează mișcării electronilor liberi a fost dată în experimentele lui Mandelstam și Papaleksi (1913), Stewart și Tolman (1916). Schema acestor experimente este următoarea.
Un fir este înfășurat pe o bobină, ale cărei capete sunt lipite pe două discuri metalice izolate unul de celălalt (Fig. 16.1). Un galvanometru este conectat la capetele discurilor folosind contacte glisante.
Bobina este adusă în rotație rapidă și apoi oprită brusc. După o oprire bruscă a bobinei, particulele încărcate libere se mișcă în raport cu conductorul prin inerție pentru o perioadă de timp și, în consecință, în bobină ia naștere un curent electric. Curentul există pentru o perioadă scurtă de timp, deoarece din cauza rezistenței conductorului, particulele încărcate sunt încetinite și mișcarea ordonată a particulelor care formează curentul se oprește.
Direcția curentului în acest experiment sugerează că acesta este creat de mișcarea particulelor încărcate negativ. Sarcina transferată în acest caz este proporțională cu raportul dintre sarcina particulelor care creează curent și masa lor, adică |q|/m. Prin urmare, prin măsurarea sarcinii care trece prin galvanometru în timpul existenței curentului în circuit, a fost posibil să se determine acest raport. S-a dovedit a fi egal cu 1,8 10 11 C/kg. Această valoare a coincis cu raportul dintre sarcina electronului și masa sa e/m, găsit mai devreme din alte experimente.
Mișcarea electronilor într-un metal.
Electronii liberi dintr-un metal se mișcă aleatoriu. Când un conductor este conectat la o sursă de curent, în el se creează un câmp electric, iar forța Coulomb = q e începe să acționeze asupra electronilor. Sub influența acestei forțe, electronii încep să se miște direcțional, adică mișcarea haotică a electronilor se suprapune vitezei mișcării direcționale și crește pentru un timp t 0 până când electronii se ciocnesc cu ionii rețelei cristaline. În acest caz, electronii își pierd direcția de mișcare și apoi încep din nou să se miște direcțional. Astfel, viteza mișcării direcționale a electronului se schimbă de la zero la o anumită valoare maximă egală cu. Ca urmare, viteza medie a mișcării ordonate a electronilor se dovedește a fi egală, adică proporțională cu intensitatea câmpului electric în conductor: υ ~ E și, prin urmare, diferența de potențial la capetele conductorului, astfel încât unde l este lungimea conductorului.
Puterea curentului în conductor este proporțională cu viteza mișcării ordonate a particulelor (vezi formula (15.2)). Prin urmare, putem spune că puterea curentului este proporțională cu diferența de potențial la capetele conductorului: I ~ U.
Aceasta este explicație calitativă a legii lui Ohm bazată pe teoria electronică a conductivității metalelor.
Este imposibil să se construiască o teorie cantitativă satisfăcătoare a mișcării electronilor într-un metal bazată pe legile mecanicii clasice. Faptul este că condițiile pentru mișcarea electronilor într-un metal sunt astfel încât mecanica clasică a lui Newton nu este aplicabilă pentru a descrie această mișcare. Acest fapt confirmă, de exemplu, dependența rezistenței de temperatură. Conform teoriei clasice a metalelor, în care mișcarea electronilor este considerată pe baza celei de-a doua legi a lui Newton, rezistența unui conductor este proporțională, dar experimentul arată o dependență liniară a rezistenței de temperatură.
Trecerea curentului prin metale (conductoare de primul fel) nu este însoțită de o modificare chimică (§ 40). Această împrejurare sugerează că atomii de metal nu se deplasează dintr-o secțiune a conductorului în alta atunci când trece curentul. Această presupunere a fost confirmată de experimentele fizicianului german Karl Viktor Eduard Rikke (1845-1915). Rikke a compus un lanț care includea trei cilindri strâns presați unul pe celălalt la capete, dintre care cei doi exteriori erau din cupru și cel din mijloc din aluminiu. Un curent electric a fost trecut prin acești cilindri pentru o perioadă foarte lungă de timp (mai mult de un an), astfel încât cantitatea totală de energie electrică a ajuns la o valoare uriașă (peste 3.000.000 C). Apoi, efectuând o analiză amănunțită a locului de contact dintre cupru și aluminiu, Rikke nu a putut detecta urme de pătrundere a unui metal în celălalt. Astfel, atunci când curentul trece prin metale, atomii de metal nu se mișcă odată cu curentul.
Cum are loc transferul de sarcină atunci când curentul trece printr-un metal?
Conform conceptelor de teorie electronică, pe care le-am folosit în mod repetat, sarcinile negative și pozitive care alcătuiesc fiecare atom sunt semnificativ diferite unele de altele. Sarcina pozitivă este asociată cu atomul însuși și, în condiții normale, este inseparabilă de partea principală a atomului (nucleul său). Sarcinile negative - electronii, care au o anumită sarcină și masă, de aproape 2000 de ori mai mică decât masa celui mai ușor atom - hidrogenul, pot fi separați relativ ușor de atom; un atom care pierde un electron formează un ion încărcat pozitiv. În metale există întotdeauna un număr semnificativ de electroni „liberi” separați de atomi, care rătăcesc prin metal, trecând de la un ion la altul. Acești electroni, sub influența unui câmp electric, se deplasează ușor prin metal. Ionii alcătuiesc scheletul metalului, formând rețeaua sa cristalină (vezi Volumul I).
Unul dintre cele mai convingătoare fenomene care relevă diferența dintre sarcinile electrice pozitive și negative dintr-un metal este efectul fotoelectric menționat în § 9, care arată că electronii pot fi smulși relativ ușor din metal, în timp ce sarcinile pozitive sunt strâns legate de substanta metalului. Deoarece atomii și, prin urmare, sarcinile pozitive asociate acestora, nu se mișcă de-a lungul conductorului în timpul trecerii curentului, electronii liberi ar trebui considerați purtători de electricitate în metal. Confirmarea directă a acestor idei au fost experimente importante efectuate pentru prima dată în 1912 de L. I. Mandelstam și N. D. Papaleksi, dar nepublicate de aceștia. Patru ani mai târziu (1916), R. C. Tolman și T. D. Stewart au publicat rezultatele experimentelor lor, care s-au dovedit a fi similare cu experimentele lui Mandelstam și Papaleksi.
La stabilirea acestor experimente, am pornit de la următorul gând. Dacă într-un metal există sarcini libere care au masă, atunci acestea trebuie să respecte legea inerției (vezi volumul I). Un conductor care se mișcă rapid, de exemplu, de la stânga la dreapta, este o colecție de atomi de metal care se mișcă în această direcție, care poartă cu ei sarcini gratuite. Când un astfel de conductor se oprește brusc, atomii incluși în compoziția sa se opresc; încărcăturile libere, prin inerție, trebuie să continue să se deplaseze de la stânga la dreapta până când diverse obstacole (coliziuni cu atomii opriți) le opresc. Fenomenul care apare este similar cu ceea ce se observă atunci când un tramvai se oprește brusc, când obiectele „slăbite” și persoanele care nu sunt atașate de mașină continuă să înainteze de ceva timp prin inerție.
Astfel, pentru o scurtă perioadă de timp după ce conductorul se oprește, încărcăturile libere din acesta ar trebui să se miște într-o singură direcție. Dar mișcarea sarcinilor într-o anumită direcție este un curent electric. În consecință, dacă raționamentul nostru este corect, atunci după o oprire bruscă a conductorului ar trebui să ne așteptăm la apariția unui curent de scurtă durată în el. Direcția acestui curent ne va permite să judecăm semnul acelor sarcini care s-au deplasat prin inerție; dacă sarcinile pozitive se deplasează de la stânga la dreapta, atunci se va găsi un curent direcționat de la stânga la dreapta; dacă sarcinile negative se mișcă în această direcție, atunci un curent trebuie observat în direcția de la dreapta la stânga. Curentul rezultat depinde de sarcinile și de capacitatea purtătorilor lor de a-și menține mișcarea prin inerție pentru un timp mai mult sau mai puțin lung, în ciuda interferențelor, adică de masa lor. Astfel, acest experiment nu numai că face posibilă testarea ipotezei despre existența sarcinilor libere în metal, ci și determinarea sarcinilor în sine, semnul lor și masa purtătorilor lor (mai precis, raportul sarcină la masă) .
În implementarea practică a experimentului, sa dovedit a fi mai convenabil să folosiți nu mișcarea de translație, ci mișcarea de rotație a conductorului. O diagramă a unui astfel de experiment este prezentată în Fig. 141. Pe o bobină, în care sunt încorporate doi arbori de osie izolați unul de celălalt, este fixată o spirală de sârmă 1. Capetele spiralei sunt lipite de ambele jumătăți ale axei și, folosind contactele glisante 2 („perii”). sunt conectate la un galvanometru sensibil 3. Bobina este antrenată într-o rotație rapidă și apoi încetinită brusc. Experimentul a relevat de fapt că în acest caz a apărut un curent electric în galvanometru. Direcția acestui curent a arătat că sarcinile negative se mișcau prin inerție. Măsurând sarcina purtată de acest curent de scurtă durată, a fost posibil să se găsească raportul dintre sarcina liberă și masa purtătorului său. Acest raport s-a dovedit a fi egal cu C/kg, ceea ce coincide bine cu valoarea acestui raport pentru electroni determinată prin alte metode.
Orez. 141. Studiul naturii curentului electric în metale
Deci, experimentele arată că metalele au electroni liberi. Aceste experimente sunt una dintre cele mai importante confirmări ale teoriei electronice a metalelor. Curentul electric din metale reprezintă mișcarea ordonată a electronilor liberi (spre deosebire de mișcarea termică aleatorie a acestora, care este întotdeauna prezentă într-un conductor).
86.1. Discul metalic neîncărcat este pus în rotație rapidă și astfel devine o „centrifugă de electroni”. Între centrul și periferia discului apare o diferență de potențial (Fig. 142; 1 – disc, 2 – contacte, 3 – electrometru). Care va fi semnul acestei diferente?
Orez. 142. Pentru exercițiul 86.1
86.2.
Un fir de argint cu o secțiune transversală de 1 mm2 poartă un curent de 1 A. Calculați viteza medie a mișcării ordonate a electronilor în acest fir, presupunând că fiecare atom de argint furnizează un electron liber. Densitatea argintului este kg/m3, masa sa atomică relativă este de 108. Constanta lui Avogadro 
mol-1.
86.3. Câți electroni trebuie să treacă prin secțiunea transversală a firului în fiecare secundă pentru ca un curent de 2 A să circule în fir? Sarcina unui electron este Cl.
Teoria clasică a conductivității electrice a metalelor a apărut la începutul secolului XX. Fondatorul său a fost fizicianul german Karl Rikke. El a stabilit experimental că trecerea unei sarcini printr-un metal nu implică transferul atomilor conductori, spre deosebire de electroliții lichizi. Cu toate acestea, această descoperire nu a explicat care este exact purtătorul de impulsuri electrice în structura metalică.
Experimentele oamenilor de știință Stewart și Tolman, efectuate în 1916, ne-au permis să răspundem la această întrebare. Ei au reușit să stabilească că cele mai mici particule încărcate - electronii - sunt responsabile pentru transferul de electricitate în metale. Această descoperire a stat la baza teoriei electronice clasice a conductivității electrice a metalelor. Din acest moment a început o nouă eră a cercetării conductoarelor metalice. Datorită rezultatelor obținute, astăzi avem posibilitatea de a folosi aparate electrocasnice, echipamente de producție, mașini și multe alte dispozitive.
Cum diferă conductivitatea electrică a diferitelor metale?
Teoria electronică a conductivității electrice a metalelor a fost dezvoltată în cercetările lui Paul Drude. El a putut descoperi o astfel de proprietate precum rezistența, care se observă atunci când un curent electric trece printr-un conductor. În viitor, acest lucru va face posibilă clasificarea diferitelor substanțe în funcție de nivelul lor de conductivitate. Din rezultatele obținute, este ușor de înțeles care metal este potrivit pentru realizarea unui anumit cablu. Acesta este un punct foarte important, deoarece materialul selectat incorect poate provoca un incendiu ca urmare a supraîncălzirii de la trecerea curentului de tensiune în exces.
Metalul argintiu are cea mai mare conductivitate electrică. La o temperatură de +20 de grade Celsius, este de 63,3 * 104 centimetri-1. Dar realizarea cablurilor din argint este foarte costisitoare, deoarece este un metal destul de rar, care este folosit în principal pentru producția de bijuterii și obiecte decorative sau monede de lingouri.
Metalul cu cea mai mare conductivitate electrică dintre toate elementele grupului de bază este cuprul. Indicatorul său este de 57*104 centimetri-1 la o temperatură de +20 de grade Celsius. Cuprul este unul dintre conductoarele cele mai comune utilizate în scopuri casnice și industriale. Rezistă bine sarcinile electrice constante, este durabil și fiabil. Punctul de topire ridicat vă permite să lucrați timp îndelungat în stare încălzită fără probleme.
În ceea ce privește abundența, doar aluminiul poate concura cu cuprul, care ocupă locul al patrulea ca conductivitate electrică după aur. Este folosit în rețele cu tensiune joasă, deoarece are aproape jumătate din punctul de topire al cuprului și nu este capabil să reziste la sarcini extreme. Distribuția ulterioară a locurilor poate fi găsită uitându-se la tabelul conductivității electrice a metalelor.
Este de remarcat faptul că orice aliaj are o conductivitate mult mai mică decât substanța pură. Acest lucru se datorează îmbinării rețelei structurale și, în consecință, perturbării funcționării normale a electronilor. De exemplu, în producția de sârmă de cupru, se utilizează un material cu un conținut de impurități de cel mult 0,1%, iar pentru unele tipuri de cablu acest indicator este și mai strict - nu mai mult de 0,05%. Toți indicatorii dați sunt conductivitatea electrică a metalelor, care este calculată ca raport între densitatea curentului și mărimea câmpului electric din conductor.
Teoria clasică a conductivității electrice a metalelor
Principiile de bază ale teoriei conductivității electrice a metalelor conțin șase puncte. În primul rând: un nivel ridicat de conductivitate electrică este asociat cu prezența unui număr mare de electroni liberi. În al doilea rând: curentul electric apare prin influența externă asupra metalului, timp în care electronii se mută de la o mișcare aleatorie la una ordonată.
În al treilea rând: puterea curentului care trece printr-un conductor metalic se calculează conform legii lui Ohm. În al patrulea rând: un număr diferit de particule elementare din rețeaua cristalină duce la rezistența inegală a metalelor. În al cincilea rând: curentul electric din circuit apare imediat după începerea expunerii la electroni. În al șaselea rând: pe măsură ce temperatura internă a metalului crește, crește și nivelul rezistenței acestuia.
Natura conductibilității electrice a metalelor este explicată prin punctul al doilea al prevederilor. Într-o stare de liniște, toți electronii liberi se rotesc haotic în jurul nucleului. În acest moment, metalul nu este capabil să reproducă independent sarcinile electrice. Dar de îndată ce conectați o sursă externă de influență, electronii se aliniază instantaneu într-o secvență structurată și devin purtători de curent electric. Odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea electrică a metalelor scade.
Acest lucru se datorează faptului că legăturile moleculare din rețeaua cristalină slăbesc, particulele elementare încep să se rotească într-o ordine și mai haotică, astfel încât construirea electronilor într-un lanț devine mai complicată. Prin urmare, este necesar să se ia măsuri pentru a preveni supraîncălzirea conductorilor, deoarece aceasta afectează negativ proprietățile lor de performanță. Mecanismul conductivității electrice a metalelor nu poate fi schimbat din cauza legilor actuale ale fizicii. Dar este posibil să se neutralizeze influențele negative externe și interne care interferează cu cursul normal al procesului.
Metale cu conductivitate electrică ridicată
Conductivitatea electrică a metalelor alcaline este la un nivel ridicat, deoarece electronii lor sunt slab atașați de nucleu și se aliniază ușor în secvența dorită. Dar acest grup se caracterizează prin puncte de topire scăzute și activitate chimică enormă, care în majoritatea cazurilor nu permite utilizarea lor pentru fabricarea de fire.
Metalele cu conductivitate electrică ridicată atunci când sunt deschise sunt foarte periculoase pentru oameni. Atingerea unui fir gol va duce la o arsură electrică și o descărcare puternică în toate organele interne. Acest lucru duce adesea la moarte instantanee. Prin urmare, pentru siguranța oamenilor se folosesc materiale izolante speciale.
În funcție de aplicație, acestea pot fi solide, lichide sau gazoase. Dar toate tipurile sunt proiectate pentru o singură funcție - izolarea curentului electric din interiorul circuitului, astfel încât să nu afecteze lumea exterioară. Conductivitatea electrică a metalelor este utilizată în aproape toate domeniile vieții umane moderne, astfel încât asigurarea siguranței este o prioritate de top.
Să luăm în considerare comportamentul electronilor de conducție într-un metal în stare de neechilibru, atunci când aceștia se mișcă sub influența câmpurilor externe aplicate. Astfel de procese sunt numite fenomene de transfer.
După cum se știe, conductivitate electrică (conductivitate electrică) o este o mărime care leagă densitatea curentului electric și tensiunea în legea locală a lui Ohm: j - oE(vezi formula (14.15) partea 1). Toate substanțele în funcție de natura conductibilității electrice sunt împărțite în trei clase: metale, semiconductori și dielectrici.
Trăsătură caracteristică metale este conductivitatea lor metalică - o scădere a conductibilității electrice odată cu creșterea temperaturii (la o concentrație constantă de purtători de curent). Cauza fizică a rezistenței electrice a metalelor este împrăștierea undelor de electroni prin impurități și defecte ale rețelei, precum și prin fononi.
Cea mai semnificativă caracteristică semiconductori este capacitatea lor de a-și modifica proprietățile într-un interval extrem de larg sub influența diverselor influențe: temperatură, câmpuri electrice și magnetice, iluminare etc. De exemplu, conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor puri crește exponențial atunci când sunt încălzite.
La T> 300 K, conductivitatea specifică o a materialelor legate de semiconductori variază într-un interval larg de la 10~ 5 la 10 6 (Ohm m) -1, în timp ce pentru metale o este mai mare de 10 6 (Ohm m) -1.
Substanțele cu conductivitate specifică scăzută sunt de ordinul 10~ 5 (Ohm m) -1 sau mai puțin, consultați dielectrice. Conductibilitatea apare la temperaturi foarte ridicate.
Teoria cuantică conduce la următoarea expresie pentru conductivitatea electrică metale:
Unde n- concentratia de electroni liberi; t - timpul de relaxare; T* - masa efectivă a unui electron.
Timp de relaxare caracterizează procesul de stabilire a echilibrului între electroni și rețea, perturbat, de exemplu, de includerea bruscă a unui câmp extern E.
Termenul „electron liber” înseamnă că electronul nu este afectat de niciun câmp de forță. Mișcarea unui electron de conducere într-un cristal sub influența unei forțe externe F iar forțele din rețeaua cristalină în unele cazuri pot fi descrise ca mișcarea unui electron liber, care este acționată numai prin forță F(A doua lege a lui Newton, vezi formula (3.5) partea 1), dar cu o masă efectivă T*, diferită de masă adică electron liber.
Calculele folosind expresia (30.18) arată că conductivitatea electrică a metalelor o~1/T. Experimentul confirmă această concluzie a teoriei cuantice, în timp ce conform teoriei clasice
o ~ l/fr.
ÎN semiconductori concentrația de purtători mobili este semnificativ mai mică decât concentrația de atomi și se poate modifica odată cu schimbările de temperatură, iluminare, iradiere cu un flux de particule, expunerea la un câmp electric sau introducerea unei cantități relativ mici de impurități. Purtătorii de sarcină în semiconductori în banda de conducere sunt electroni (electroni de conducere), iar în banda de valență - cvasiparticule încărcate pozitiv găuri. Când un electron lipsește din banda de valență din orice motiv, se spune că a format o gaură (stare liberă). Conceptele de găuri și electroni de conducere sunt folosite pentru a descrie sistemul electronic de semiconductori, semimetale și metale.
Într-o stare de echilibru termodinamic, concentrațiile de electroni și găuri în semiconductori depind atât de temperatura și concentrația de impurități active electric, cât și de banda interzisă A E.
Există semiconductori intrinseci și impurități. Semiconductori proprii sunt semiconductori puri din punct de vedere chimic (de exemplu, germaniu Ge, seleniu Se). Numărul de electroni din ele este egal cu numărul de găuri. Conductivitate astfel de semiconductori se numesc proprii.
În semiconductori intrinseci la T= O K banda de valență este complet umplută, iar banda de conducere este liberă. Prin urmare, când T=În absența excitației externe, semiconductorii intrinseci se comportă ca niște dielectrici. Pe măsură ce temperatura crește din cauza excitației termice, electronii de la nivelurile superioare ale benzii de valență se vor muta în banda de conducție. În același timp, devine posibil ca electronii benzii de valență să se deplaseze la nivelurile superioare libere. Electronii din banda de conducție și găurile din banda de valență vor contribui la conductivitatea electrică.
Se numește energia necesară pentru a transfera un electron din banda de valență în banda de conducere energie de activare propria conductivitate.
Când un câmp electric extern este aplicat unui cristal, electronii se mișcă împotriva câmpului și creează un curent electric. Într-un câmp extern, atunci când un electron de valență vecin este mutat într-un loc liber, o gaură este „amestecată” în locul său. Ca rezultat, gaura, la fel ca electronul care a trecut în banda de conducere, se va deplasa peste cristal, dar în direcția opusă mișcării electronului. Formal, o particulă cu o sarcină pozitivă egală cu valoarea absolută a sarcinii electronului se deplasează de-a lungul cristalului în direcția câmpului. Pentru a lua în considerare efectul câmpului intern al cristalului asupra sarcinilor elementare, se introduce conceptul de masă efectivă w* pentru găuri. Prin urmare, atunci când rezolvăm probleme, putem presupune că o gaură cu o masă efectivă se mișcă numai sub influența unui câmp extern.
Într-un câmp extern, direcția vitezelor electronilor și găurilor este opusă, dar curentul electric creat de aceștia are aceeași direcție - direcția câmpului electric. Astfel, densitatea de curent la conductivitatea intrinsecă a unui semiconductor este suma densității de curent a electronilor la e și a găurilor la d:
Conductivitatea electrică o este proporțională cu numărul de purtători, ceea ce înseamnă că se poate dovedi că pentru semiconductori intrinseci
si depinde de temperatura dupa o lege exponentiala. Contribuția la o a electronilor și a găurilor este diferită, ceea ce se explică prin diferența dintre masele lor efective.
La temperaturi relativ ridicate, conductivitatea intrinsecă predomină în toate semiconductoarele. În caz contrar, proprietățile electrice ale unui semiconductor sunt determinate de impurități (atomi ai altor elemente), iar apoi vorbim despre conductivitatea impurităților. Conductivitatea electrică va consta din conductivități intrinseci și impurități.
Semiconductori impuri se numesc semiconductori, a căror atomi individuali sunt înlocuiți cu impurități. Concentrația de electroni și găurile din ele diferă semnificativ. Se numesc impuritățile care furnizează electroni donatori. Se numesc impuritățile care captează electronii din banda de valență acceptori.
Ca urmare a introducerii unei impurități în banda interzisă, în banda interzisă apar niveluri suplimentare de energie electronică permise în apropierea sau în partea inferioară a benzii de conducere ( nivelurile donatorilor), sau în partea de sus a benzii de valență ( niveluri de acceptor). Acest lucru crește semnificativ conductivitatea electrică a semiconductorilor.
În semiconductori de tip i (din engleză, negativ - negativ) cu o impuritate donor, se realizează mecanism electronic de conducere. Conductibilitatea în ele este asigurată de electroni în exces ai impurității, a căror valență este cu o unitate mai mare decât valența atomilor principali.
În semiconductori de tip p (din engleză, pozitiv - pozitiv) cu o impuritate acceptor, se realizează mecanism de conducere a orificiilor. Conductibilitatea în ele este asigurată de găuri datorită introducerii unei impurități, a cărei valență este cu una mai mică decât valența atomilor principali.
Dovada convingătoare a realității găurilor pozitive este oferită de Efect Hall(1879). Acest efect constă în apariția într-un metal (sau semiconductor) cu o densitate de curent y, plasat într-un câmp magnetic ÎN, câmp electric suplimentar în direcția perpendiculară pe ÎN si tu. Utilizarea efectului Hall (măsurarea coeficientului Hall în funcție de substanță) face posibilă determinarea concentrației și mobilității purtătorilor de sarcină într-un conductor, precum și determinarea naturii conductivității semiconductorului (electronic sau orificiu).
În prezent, în dezvoltarea materialelor pentru microelectronică, sunt create diverse materiale semiconductoare, inclusiv cele cu bandgap larg. Microcircuitele semiconductoare sunt considerate una dintre domeniile promițătoare ale microelectronicii, permițând crearea de circuite integrate fiabile și complexe funcțional.