Laddningsbärare

Laddningsbärare  är det allmänna namnet för rörliga partiklar eller kvasi -partiklar som bär en elektrisk laddning och kan tillhandahålla flödet av en elektrisk ström [1] .

Exempel på rörliga partiklar är elektroner , joner . Ett exempel på en kvasipartikel - en laddningsbärare är en jon, andra laddade partiklar, till exempel positroner .

Vanligtvis används termen "laddningsbärare" i fasta tillståndets fysik och halvledarfysik .

Elektroner i metaller

I metaller och ämnen med en metallisk typ av konduktivitet, som inkluderar många andra ämnen - grafit, många övergångsmetallkarbider och nitrider , är elektroner laddningsbärare. I sådana ämnen är en eller flera elektroner i atomernas yttre elektronskal inte bundna till de omgivande atomerna och kan röra sig på ett ordnat sätt under inverkan av ett elektriskt fält inuti en kristall eller vätska, även vid absolut nolltemperatur. Sådana elektroner kallas ledningselektroner i kroppar med en metallisk typ av ledningsförmåga. Eftersom elektroner har ett halvt heltalsspinn, följer deras helhet Fermi-Dirac-statistiken och kallas vanligtvis Fermi- elektrongasen .

I frånvaro av ett elektriskt fält rör sig ledningselektroner slumpmässigt i en metall eller smälter i olika riktningar, och den elektriska strömmen i kroppen är noll. Ett undantag är rörelsen av ledningselektroner i supraledare , där elektronerna kan röra sig på ett ordnat sätt och skapa en elektrisk ström utan att ett elektriskt fält appliceras.

När ett elektriskt fält appliceras påtvingas ordning och reda på elektronernas kaotiska rörelse - en elektrisk ström uppstår i kroppen. I praktiskt taget uppnåbara elektriska fält i metaller överstiger inte hastigheten för elektronernas ordnade rörelse några millimeter per sekund, medan medelhastigheten för elektronernas kaotiska rörelse är i storleksordningen flera hundra km/s.

Laddningsbärare i halvledare

I halvledare är laddningsbärare elektroner . För att underlätta beskrivningen av ledningsprocesserna i halvledare introduceras konceptet med en kvasipartikel - ett hål  - en positivt laddad partikel med en laddning lika i absolut värde som laddningen av en elektron. Faktum är att ett hål är en elektron som hoppar till en ledig närliggande vakans i en halvledares kristallgitter. Makroskopiskt beter sig hål som äkta positivt laddade partiklar, i synnerhet indikerar tecknet på EMF i Hall-effekten rörelsen av positivt laddade partiklar i en hålhalvledare.

Beroende på förhållandet mellan koncentrationerna av elektroner och hål, särskiljs inneboende halvledare, där koncentrationerna av elektroner och hål är lika, halvledare med elektronisk typ av konduktivitet eller på annat sätt kallade halvledare av n-typ konduktivitet eller helt enkelt n-typ med en ökad elektronkoncentration jämfört med hål, och halvledare med konduktivitet av håltyp som kallas halvledare av p-typ – med en ökad koncentration av hål.

Typen av den eller den andra konduktiviteten tilldelas en ren halvledare av ett dopmedel . Föroreningar som ger en elektronisk typ av konduktivitet till en halvledare kallas donatorföroreningar och föroreningar som ger en håltyp av konduktivitet kallas acceptorföroreningar .

Rena halvledare och halvledare med lika stor koncentration av acceptor- och donatorföroreningar, sådana halvledare kallas kompenserade halvledare bildar sina egna halvledare .

Elektroner i en halvledare av n-typ kallas majoritetsbärare , och hål kallas minoritet , i en halvledare av p-typ, vice versa. Minoritetsbärarström spelar en viktig roll i vissa typer av halvledarenheter, såsom bipolära transistorer och i aktivt läge är strömmen som flyter genom basskiktet minoritetsbärarströmmen.

Enligt bandteorin kan energin hos en elektron i en halvledares kristallgitter inte ta på sig en godtycklig serie energier, utan endast deras energier kan ligga inom vissa intervall-tillåtna zoner åtskilda av ett bandgap . Det lägre tillåtna energibandet kallas valensbandet , medan det tillåtna högenergibandet kallas ledningsbandet . Elektroner med energier i valensbandet är inte fria, det vill säga de kan inte röra sig när ett elektriskt fält appliceras, eftersom alla energinivåer i detta band är upptagna och enligt Paulis uteslutningsprincip kan en elektron inte ändra sitt tillstånd, och rörelse kräver en förändring i tillståndet. Elektroner med energierna i ledningsbandet är rörliga, eftersom det har fria energinivåer ovanför.

Om en elektron tas bort från valensbandet, bildas en positivt laddad tomhet i den - ett hål som kan upptas av en annan elektron från valensbandet, det vill säga när ett elektriskt fält appliceras, rör sig hål i valensbandet - uppkomsten av elektrisk ledningsförmåga i valensbandet - hålets ledningsförmåga.

Frigörandet av en elektron från en nod i en halvledares kristallgitter och dess överföring till ledningsbandet kräver utgifterna för en viss aktiveringsenergi (jonisering). Denna energi i rena halvledare är lika med skillnaden mellan energierna i botten av ledningsbandet och toppen av valensbandet och kallas bandgapet. I dopade halvledare är aktiveringsenergin lika med skillnaden mellan nivåerna av donator- och acceptorföroreningar.

Eftersom uppkomsten av fria bärare i halvledare kräver en aktiveringsenergi, vid absolut nolltemperatur och i frånvaro av extern bestrålning, är alla halvledare isolatorer. När temperaturen stiger passerar en del av elektronerna från valensbandet till ledningsbandet och elektrisk ledningsförmåga uppstår. I dopade halvledare är acceptornivåerna nära toppen av valensbandet, och nivåerna av donatorföroreningar är nära botten av ledningsbandet; därför kräver jonisering (utseendet av laddningsbärare) en mycket låg aktiveringsenergi i dopade halvledare Därför, i lätt dopade halvledare, redan vid rumstemperatur, joniseras alla föroreningsatomer och ledning bestäms huvudsakligen av dopämneskoncentrationen.

Laddningsbärare i elektrolyter

I elektrolyter är laddningsbärare joner. I lösningar och smältor av elektrolyter sönderdelas några av de elektriskt neutrala molekylerna till laddade partiklar med ett annat tecken på laddning - fria joner. Positivt laddade joner kallas katjoner, negativt laddade anjoner. Under inverkan av ett elektriskt fält rör sig jonerna och bildar en elektrisk ström, och anjonerna rör sig mot vektorn för den elektriska fältstyrkan - till anoden och katjonerna - till katoden, i jonernas rörelseriktning av ett annat laddningstecken och fick deras namn.

Det finns även fasta ämnen med en jonisk typ av konduktivitet - de så kallade fasta elektrolyterna . Fasta elektrolyter är joniska kristaller , i vilka joner vid platserna för kristallgittret är svagt bundna till gittret och kan migrera genom kristallen. Under verkan av ett elektriskt fält får joner i fasta elektrolyter en ordnad rörelse längs eller mot den elektriska fältstyrkevektorn, beroende på laddningens tecken. Exempel på fasta elektrolyter är silverjodid med silverjonledningsförmåga Ag + eller zirkoniumdioxid dopad med övergångsmetalloxid av grupp III i det periodiska systemet , med syrejonledningsförmåga O 2- på grund av vakanser i kristallgittret, samt många fasta elektrolyter och några polymerer med vätejonledningsförmåga H + . I många fasta elektrolyter, till exempel i dopad zirkoniumdioxid, utförs jonledningsförmåga genom vakansförskjutning - en syrejon under inverkan av ett fält förflyttas till en intilliggande tomhet i kristallgittret och förblir där, en ledningsmekanism som liknar hål ledning i halvledare.

Laddningsbärare i vakuum och försållad plasma

Laddningsbärare i vakuum är elektroner, joner, andra laddade elementarpartiklar. Om vakuumet är högt, i de fall där partikelns fria väg är mycket större än den antagna storleken, det vill säga Knudsen-talet är mycket större än 1 laddade partiklar - laddningsbärare kan betraktas som icke-interagerande och de rör sig i frånvaro av ett elektriskt fält i en rak linje och likformigt tills de kolliderar med kärlets vägg. När ett elektriskt fält appliceras börjar laddade partiklar röra sig snabbt under inverkan av en elektrisk kraft.

Ett specialfall av laddningar i ett vakuum är en mycket försållad plasma  , en elektriskt neutral blandning av laddningsbärare med olika laddningar.

Volymladdning

Vanligtvis, i en miljö där det finns fria laddningsbärare, är den totala laddningen av positivt laddade partiklar lika med den totala laddningen av negativt laddade partiklar, därför är en sådan miljö elektriskt neutral. Men i vissa fall råder den totala laddningen för en av tecknen över den totala laddningen för den andra skylten. I det här fallet talar man om volym eller ytladdning . Närvaron av en volym eller ytladdning genererar ett elektriskt fält i enlighet med Gauss sats . Det elektriska fältet orsakar rörelsen av laddningsbärare och omfördelningen av rymdladdningen, och försöker utjämna koncentrationen av laddningar av olika tecken. För att en rymdladdning ska existera på lång sikt måste det därför finnas en mekanism för dess underhåll. Till exempel förhindrar elektronernas arbetsfunktion laddningsflödet från negativt laddade kroppar.

Den framväxande rymdladdningen spelar en viktig roll i fysikaliska processer i elektrovakuumenheter - rymdladdningen av elektroner i vakuum eller rymdladdningszoner i pn-övergångar i halvledarenheter, som härrör från motdiffusionen av elektroner och hål och kontaktpotentialskillnaden .

Generering och rekombination av laddningsbärare

I elektrolyter, halvledare och plasma sker processerna för rekombination och jonisering av partiklar samtidigt. Elektriskt neutrala atomer och molekyler bryts upp till laddade partiklar - jonisering, och samtidigt attraheras partiklar med olika tecken till varandra och bildar elektriskt neutrala partiklar - rekombination. I jämviktstillståndet är antalet rekombinations- och dissociationshändelser per tidsenhet lika med varandra och en jämviktskoncentration av laddningsbärare etableras i mediet. Systemet, taget ur jämviktstillståndet, övergår gradvis spontant till jämvikt. Tidskonstanten för att fastställa en jämviktskoncentration av laddningar kallas relaxationstid .

Dissociationen av neutrala partiklar uppstår främst på grund av den termiska rörelsen och vibrationen av partiklar, deras kollisioner. Eftersom dissociation kräver viss energi, kallad aktiveringsenergi , ökar koncentrationen av laddningsbärare, om det inte finns andra faktorer som förhindrar termisk dissociation, med ökande temperatur. Det är därför den elektriska ledningsförmågan hos elektrolyter, halvledare, ofullständigt joniserad plasma ökar med ökande temperatur. Kvantitativt uttrycks koncentrationen av laddningsbärare i ett ämne som en funktion av temperaturen med Arrhenius-ekvationen .

Det finns en känd mekanism för dissociation till laddade partiklar genom extern icke-termisk påverkan, till exempel elektromagnetisk strålning eller en ström av snabba partiklar, till exempel en elektronström, joniserande strålning . Under sådan påverkan ökar koncentrationen av laddningsbärare i jämförelse med den termiska jämviktskoncentrationen. Absorptionen av en foton eller en laddad partikel i en halvledare genererar med viss sannolikhet ett elektron-hålpar, detta fenomen används i olika halvledarfotodetektorer och halvledarpartikeldetektorer. Makroskopiskt visar en ökning av koncentrationen av laddningsbärare sig i en förändring av elektriska egenskaper, såsom elektrisk ledningsförmåga.

Rekombinationen av laddade partiklar åtföljs av frigörandet av energi lika med dissociationsenergin eller joniseringsenergin. I de flesta fall övergår denna energi till termisk rörelse, men den kan förvandlas till andra typer av energi, till exempel kan den föras bort av en foton, som i ljusemitterande dioder och halvledarlasrar i rekombinationen av elektroner. hålpar.

Den genomsnittliga fria vägen för avgiftsbärare

Det genomsnittliga avståndet över vilket en laddningsbärares rörelse kan anses vara oberoende av närvaron av andra partiklar kallas medelfri väg. Vanligtvis är detta avstånd lika med banlängden för en partikel före en kollision med en annan partikel, men till exempel i ett plasma är väglängden avståndet till en signifikant elektrostatisk interaktion med en annan laddad plasmapartikel och en förändring i rörelseriktningen .

I elektrolyter är den genomsnittliga fria vägen begränsad av kollisioner; i metaller är den genomsnittliga fria vägen för elektroner begränsad av spridningen av elektroner på atomer, kristallgitterdefekter och dess termiska vibrationer - spridning på fononer .

I halvledare är elektroner och hål spridda av kristallgitterdefekter, föroreningsatomer och fononer. I rena halvledare kan medelfri väg uppgå till flera millimeter vid låga temperaturer.

I ett vakuum och ett försålt plasma förlorar begreppet medelfri väg sin mening, eftersom partiklarna inte interagerar. Konventionellt kan vi anta att längden på den fria banan är lika med fartygets dimensioner.

Ju högre medelfri väg och ju högre bärarkoncentration , desto högre elektrisk ledningsförmåga :

Anteckningar

1. ↑ Fysisk encyklopedisk ordbok. — M.: Sovjetiskt uppslagsverk. Chefredaktör A. M. Prokhorov. 1983.