Latauskuljettajat

Varauksenkantajat  ovat yleinen nimi liikkuville hiukkasille tai kvasihiukkasille , jotka kuljettavat sähkövarausta ja pystyvät tuottamaan sähkövirran [1] .

Esimerkkejä liikkuvista hiukkasista ovat elektronit , ionit . Esimerkki kvasihiukkasesta - varauksenkantaja on ioni, muut varautuneet hiukkaset, esimerkiksi positronit .

Yleensä termiä "varauskantajat" käytetään kiinteän olomuodon fysiikassa ja puolijohdefysiikassa .

Elektronit metalleissa

Metalleissa ja metallisen johtavuuden omaavissa aineissa, joihin kuuluu monia muita aineita - grafiitti, monet siirtymämetallikarbidit ja nitridit , elektronit ovat varauksen kantajia. Tällaisissa aineissa yksi tai useampi atomien ulomman elektronikuoren elektroni ei ole sitoutunut ympäröiviin atomeihin ja voi liikkua säännöllisesti kiteen tai nesteen sisällä sähkökentän vaikutuksesta jopa absoluuttisessa nollalämpötilassa. Tällaisia ​​elektroneja kutsutaan johtavuuselektroneiksi kappaleissa, joiden johtavuus on metallista. Koska elektronien spin on puolikokonaisluku, niiden kokonaisuus noudattaa Fermi-Dirac-tilastoa ja sitä kutsutaan yleensä Fermi- elektronikaasuksi .

Sähkökentän puuttuessa johtavuuselektronit liikkuvat satunnaisesti metallissa tai sulavat eri suuntiin, ja sähkövirta kehossa on nolla. Poikkeuksena on johtavuuselektronien liike suprajohtimissa , jossa elektronit voivat liikkua säännöllisesti ja luoda sähkövirtaa ilman sähkökentän käyttöä.

Kun sähkökenttää käytetään, elektronien kaoottiseen liikkeeseen asetetaan järjestys - kehossa syntyy sähkövirta. Käytännössä saavutettavissa olevissa metallien sähkökentissä elektronien järjestetyn liikkeen nopeus ei ylitä muutamaa millimetriä sekunnissa, kun taas elektronien kaoottisen liikkeen keskinopeus on useiden satojen km/s luokkaa.

Varauskannattimet puolijohteissa

Puolijohteissa varauksen kantajat ovat elektroneja . Puolijohteiden johtamisprosessien kuvaamisen helpottamiseksi otetaan käyttöön kvasihiukkasen käsite - reikä  - positiivisesti varautunut hiukkanen, jonka varaus on yhtä suuri kuin elektronin varaus. Itse asiassa reikä on elektroni, joka hyppää vapaaseen viereiseen tyhjään paikkaan puolijohteen kidehilassa. Makroskooppisesti reiät käyttäytyvät kuin aidot positiivisesti varautuneet hiukkaset, erityisesti EMF-merkki Hall -ilmiössä osoittaa positiivisesti varautuneiden hiukkasten liikettä reikäpuolijohteessa.

Elektronien ja reikien pitoisuuksien suhteen erotetaan sisäiset puolijohteet, joissa elektronien ja reikien pitoisuudet ovat yhtä suuret, puolijohteet, joilla on elektroninen johtavuus tai muuten kutsutaan n-tyypin johtavuuden tai yksinkertaisesti n-tyypin puolijohteita. lisääntynyt elektronipitoisuus verrattuna reikiin, ja puolijohteet, joilla on reikätyyppinen johtavuus, nimeltään p-tyyppiset puolijohteet - lisääntyneillä reikien pitoisuuksilla.

Tämän tai toisen johtavuuden tyyppi annetaan puhtaalle puolijohteelle lisäaineella . Epäpuhtauksia, jotka antavat puolijohteelle elektronisen johtavuuden, kutsutaan luovuttajaepäpuhtauksiksi , ja epäpuhtauksia, jotka antavat reikätyyppisen johtavuuden, kutsutaan akseptoriepäpuhtauksiksi .

Puhtaita puolijohteita ja puolijohteita, joissa on yhtä suuri pitoisuus vastaanottaja- ja luovuttajaepäpuhtauksia, tällaisia ​​puolijohteita kutsutaan kompensoiduiksi puolijohteiksi, jotka muodostavat omia puolijohteitaan .

N-tyypin puolijohteessa olevia elektroneja kutsutaan enemmistökantoaaltoiksi ja reikiä vähemmistöiksi p-tyypin puolijohteessa, vastaavasti päinvastoin. Vähemmistökantoaaltovirralla on tärkeä rooli tietyntyyppisissä puolijohdelaiteissa, kuten bipolaarisissa transistoreissa , ja aktiivisessa tilassa pohjakerroksen läpi kulkeva virta on vähemmistökantoaaltovirta.

Kaistateorian mukaan puolijohteen kidehilassa olevan elektronin energia ei voi ottaa mielivaltaista energioiden sarjaa, vaan vain niiden energiat voivat olla tietyillä alueilla - sallituilla vyöhykkeillä, joita erottaa kaistaväli . Alhaisemman energian sallittua kaistaa kutsutaan valenssikaistaksi , kun taas korkean energian sallittua kaistaa kutsutaan johtavuuskaistaksi . Valenssikaistan energioiden elektronit eivät ole vapaita, eli ne eivät voi liikkua sähkökentän vaikutuksesta, koska tämän kaistan kaikki energiatasot ovat varattu ja Paulin poissulkemisperiaatteen mukaan elektroni ei voi muuttaa tilaansa, ja liike vaatii tilanmuutosta. Elektronit, joilla on johtavuuskaistan energioita, ovat liikkuvia, koska niiden yläpuolella on vapaita energiatasoja.

Jos elektroni poistetaan valenssikaistalta, siihen muodostuu positiivisesti varautunut tyhjyys - reikä, jonka toinen elektroni voi varata valenssikaistalta, eli kun sähkökenttää käytetään, reiät liikkuvat valenssikaistalla - sähkönjohtavuuden esiintyminen valenssikaistalla - reiän johtavuus.

Elektronin vapautuminen puolijohteen kidehilan solmusta ja sen siirtyminen johtavuuskaistalle vaatii tietyn aktivointi- (ionisaatio-) energian kulutuksen. Tämä puhtaiden puolijohteiden energia on yhtä suuri kuin johtavuuskaistan alaosan ja valenssikaistan yläosan energioiden välinen ero, ja sitä kutsutaan kaistaväliksi. Seostetuissa puolijohteissa aktivointienergia on yhtä suuri kuin luovuttaja- ja akseptoriepäpuhtauksien tasojen välinen ero.

Koska vapaiden kantajien ilmaantuminen puolijohteisiin vaatii aktivointienergiaa absoluuttisessa nollalämpötilassa ja ulkoisen säteilyn puuttuessa, kaikki puolijohteet ovat eristeitä. Lämpötilan noustessa osa elektroneista siirtyy valenssikaistalta johtavuuskaistalle ja sähkönjohtavuus tapahtuu. Seostetuissa puolijohteissa akseptoritasot ovat lähellä valenssikaistan yläosaa ja luovuttajaepäpuhtauksien tasot lähellä johtavuuskaistan alaosaa; siksi seostetuissa puolijohteissa ionisaatio (varauksenkuljettajien ilmaantyminen) vaatii erittäin alhaisen aktivointienergian siksi kevyesti seostetuissa puolijohteissa kaikki epäpuhtausatomit ovat jo huoneenlämpötilassa ionisoituneita ja johtumisen määrää pääasiassa seostusainepitoisuus.

Varauskannattimet elektrolyyteissä

Elektrolyyteissä varauksen kantajat ovat ioneja . Elektrolyyttiliuoksissa ja -sulaissa osa sähköisesti neutraaleista molekyyleistä hajoaa varautuneiksi hiukkasiksi, joilla on erilainen varauksettomien ionien merkki. Positiivisesti varautuneita ioneja kutsutaan kationeiksi, negatiivisesti varautuneiksi anioneiksi. Sähkökentän vaikutuksesta ionit liikkuvat muodostaen sähkövirran, ja anionit liikkuvat sähkökentän voimakkuuden vektoria vastaan ​​- anodille ja kationit - katodille ionien liikesuunnassa. eri maksumerkistä ja saivat nimensä.

On myös kiinteitä aineita , joiden johtavuus on ioninen - niin sanottuja kiinteitä elektrolyyttejä . Kiinteät elektrolyytit ovat ionikiteitä , joissa kidehilan kohdissa olevat ionit ovat heikosti sitoutuneita hilaan ja voivat kulkeutua kiteen läpi. Sähkökentän vaikutuksesta kiinteiden elektrolyyttien ionit saavat määrätyn liikkeen sähkökentän voimakkuusvektoria pitkin tai sitä vasten varauksen merkistä riippuen. Esimerkkejä kiinteistä elektrolyyteistä ovat hopeajodidi , jonka hopea-ionin johtavuus Ag + tai zirkoniumdioksidi , joka on seostettu jaksollisen järjestelmän ryhmän III siirtymämetallioksidilla ja jonka happi-ionijohtavuus on O 2- kidehilan tyhjien paikkojen vuoksi, sekä monet kiinteät elektrolyytit ja jotkin polymeerit, joiden vetyionin johtavuus H + . Monissa kiinteissä elektrolyyteissä, esimerkiksi seostetussa zirkoniumdioksidissa, ionijohtavuus suoritetaan tyhjiön siirtymällä - happi-ioni kentän vaikutuksesta siirtyy viereiseen kidehilan tyhjiöön ja pysyy siellä, johtavuusmekanismi, joka on samanlainen kuin aukko. johtavuus puolijohteissa.

Varauskannattimet tyhjiössä ja harvinaisessa plasmassa

Varauksen kantajia tyhjiössä ovat elektronit, ionit ja muut varautuneet alkuainehiukkaset. Jos tyhjiö on suuri, tapauksissa, joissa hiukkasen vapaa reitti on paljon suurempi kuin arvioitu koko, eli Knudsenin luku on paljon suurempi kuin 1 varautuneita hiukkasia - varauksenkantajat voidaan katsoa vuorovaikuttamattomiksi ja ne liikkuvat hiukkasessa. sähkökentän puuttuminen suorassa linjassa ja tasaisesti, kunnes ne törmäävät aluksen seinään. Kun sähkökenttä kohdistetaan, varautuneet hiukkaset alkavat liikkua nopeasti sähkövoiman vaikutuksesta.

Tyhjiövarausten erikoistapaus on erittäin harvinainen plasma  , sähköisesti neutraali seos varauksenkantajia eri varauksilla.

Volyymiveloitus

Yleensä ympäristössä, jossa on vapaita varauksenkuljettajia, positiivisesti varautuneiden hiukkasten kokonaisvaraus on yhtä suuri kuin negatiivisesti varautuneiden hiukkasten kokonaisvaraus, joten tällainen ympäristö on sähköisesti neutraali. Mutta joissakin tapauksissa yhden merkin kokonaisvaraus ylittää toisen merkin kokonaisvarauksen. Tässä tapauksessa puhutaan tilavuudesta tai pintavarauksesta . Tilavuuden tai pintavarauksen läsnäolo synnyttää sähkökentän Gaussin lauseen mukaisesti. Sähkökenttä saa aikaan varauksenkuljettajien liikkeen ja avaruusvarauksen uudelleenjakautumisen yrittäen tasata erimerkkisten varausten pitoisuutta. Siksi tilavarauksen pitkäaikaista olemassaoloa varten on oltava mekanismi sen ylläpitämiseksi. Esimerkiksi elektronien työtoiminto estää negatiivisesti varautuneiden kappaleiden varausvirran.

Syntyvällä avaruusvarauksella on tärkeä rooli fysikaalisissa prosesseissa sähkötyhjölaitteissa - elektronien ja aukkojen vastadiffuusiosta ja kosketuspotentiaalierosta aiheutuvassa elektronien tilavarauksessa tyhjiössä tai avaruusvarausvyöhykkeissä pn-liitoksissa puolijohdelaitteissa .

Varauksenkuljettajien syntyminen ja rekombinaatio

Elektrolyyteissä, puolijohteissa ja plasmassa hiukkasten rekombinaatio- ja ionisaatioprosessit tapahtuvat samanaikaisesti. Sähköisesti neutraalit atomit ja molekyylit hajoavat varautuneiksi hiukkasiksi - ionisaatio, ja samalla erimerkkiset hiukkaset vetäytyvät toisiinsa ja muodostavat sähköisesti neutraaleja hiukkasia - rekombinaatio. Tasapainotilassa rekombinaatio- ja dissosiaatiotapahtumien lukumäärä aikayksikköä kohti ovat keskenään yhtä suuret, ja väliaineeseen muodostuu varauksenkuljettajien tasapainopitoisuus. Tasapainotilasta poistettu järjestelmä siirtyy vähitellen spontaanisti tasapainoon. Aikavakiota varausten tasapainopitoisuuden muodostamiseksi kutsutaan rentoutumisajaksi .

Neutraalien hiukkasten dissosiaatio tapahtuu pääasiassa hiukkasten lämpöliikkeen ja värähtelyn, niiden törmäysten vuoksi. Koska dissosiaatio vaatii jonkin verran energiaa, jota kutsutaan aktivaatioenergiaksi , niin varauksenkuljettajien pitoisuus, ellei muita lämpödissosiaatiota estäviä tekijöitä ole, kasvaa lämpötilan noustessa. Siksi elektrolyyttien, puolijohteiden, epätäydellisesti ionisoituneen plasman sähkönjohtavuus kasvaa lämpötilan noustessa. Kvantitatiivisesti aineen varauksenkuljettajien pitoisuus lämpötilan funktiona ilmaistaan ​​Arrhenius-yhtälöllä .

On tunnettu mekanismi, joka hajoaa varautuneiksi hiukkasiksi ulkoisen ei-termisen vaikutuksen, esimerkiksi sähkömagneettisen säteilyn tai nopeiden hiukkasten virran, esimerkiksi elektronivirran, ionisoivan säteilyn , vaikutuksesta . Tällaisen vaikutuksen alaisena varauksenkuljettajien pitoisuus kasvaa verrattuna lämpötasapainokonsentraatioon. Fotonin tai varautuneen hiukkasen absorptio puolijohteessa synnyttää jollain todennäköisyydellä elektroni-reikäparin, tätä ilmiötä käytetään erilaisissa puolijohdevaloilmaisimissa ja puolijohdehiukkasilmaisimissa. Makroskooppisesti varauksenkuljettajien pitoisuuden kasvu ilmenee sähköisten ominaisuuksien, kuten sähkönjohtavuuden, muutoksena.

Varautuneiden hiukkasten rekombinaatioon liittyy dissosiaatioenergiaa tai ionisaatioenergiaa vastaavan energian vapautuminen. Useimmissa tapauksissa tämä energia muuttuu lämpöliikkeeksi, mutta se voi muuttua muun tyyppiseksi energiaksi, esimerkiksi fotoni voi kuljettaa sen pois, kuten valodiodeissa ja puolijohdelasereissa elektronien rekombinaatioissa. reikäparit.

Varauksenkuljettajien keskimääräinen vapaa polku

Keskimääräistä etäisyyttä, jolla varauksenkantajan liikettä voidaan pitää riippumattomana muiden hiukkasten läsnäolosta, kutsutaan keskimääräiseksi vapaaksi poluksi. Yleensä tämä etäisyys on yhtä suuri kuin hiukkasen polun pituus ennen törmäystä toiseen hiukkaseen, mutta esimerkiksi plasmassa matkan pituus on etäisyys merkittävään sähköstaattiseen vuorovaikutukseen toisen varautuneen plasmahiukkasen kanssa ja liikkeen suunnan muutokseen. .

Elektrolyyteissä keskimääräistä vapaata polkua rajoittavat törmäykset, metalleissa elektronien keskimääräistä vapaata polkua rajoittavat elektronien sironta atomeille, kidehilan viat ja sen lämpövärähtelyt - sironta fononeissa .

Puolijohteissa elektroneja ja reikiä sirottavat kidehilavirheet, epäpuhtausatomit ja fononit. Puhtaissa puolijohteissa keskimääräinen vapaa reitti voi olla useita millimetrejä alhaisissa lämpötiloissa.

Tyhjiössä ja harvennetussa plasmassa keskimääräisen vapaan polun käsite menettää merkityksensä, koska hiukkaset eivät ole vuorovaikutuksessa. Perinteisesti voimme olettaa, että vapaan polun pituus on yhtä suuri kuin aluksen mitat.

Mitä suurempi keskimääräinen vapaa polku ja mitä korkeampi kantajapitoisuus , sitä suurempi on sähkönjohtavuus :

Muistiinpanot

1. ↑ Fyysinen tietosanakirja. - M.: Neuvostoliiton tietosanakirja. Päätoimittaja A. M. Prokhorov. 1983.