Töltéshordozók

A töltéshordozók  a mozgó részecskék vagy kvázi részecskék általános neve, amelyek elektromos töltést hordoznak , és képesek elektromos áram áramlását biztosítani [1] .

Mozgó részecskék például az elektronok , ionok . Példa a kvázi részecskére - töltéshordozóra egy ion, más töltött részecskék, például a pozitronok .

Általában a "töltéshordozók" kifejezést a szilárdtestfizikában és a félvezetőfizikában használják .

Elektronok a fémekben

Fémekben és fémes típusú vezetőképességű anyagokban, amelyek sok más anyagot is tartalmaznak - grafitot, sok átmenetifém- karbidot és -nitridet , az elektronok töltéshordozók. Az ilyen anyagokban az atomok külső elektronhéjának egy vagy több elektronja nem kötődik a környező atomokhoz, és rendezett módon mozoghat egy kristályban vagy folyadékban elektromos tér hatására, még abszolút nulla hőmérsékleten is. Az ilyen elektronokat vezetési elektronoknak nevezzük a fémes típusú vezetőképességű testekben. Mivel az elektronok spinje félegész szám, teljességük megfelel a Fermi-Dirac statisztikának , és általában Fermi elektrongáznak nevezik .

Elektromos tér hiányában a vezetési elektronok véletlenszerűen mozognak egy fémben, vagy különböző irányokba olvadnak, és a testben az elektromos áram nulla. Kivételt képez a vezetési elektronok szupravezetőben való mozgása , amelyben az elektronok szabályosan mozoghatnak, és elektromos tér alkalmazása nélkül elektromos áramot hozhatnak létre.

Amikor elektromos mezőt alkalmazunk, az elektronok kaotikus mozgását rendezettség terheli - elektromos áram keletkezik a testben. A fémekben gyakorlatilag megvalósítható elektromos mezőkben az elektronok rendezett mozgásának sebessége nem haladja meg a másodpercenkénti néhány millimétert, míg az elektronok kaotikus mozgásának átlagos sebessége több száz km/s nagyságrendű.

Töltéshordozók félvezetőkben

A félvezetőkben a töltéshordozók az elektronok . A félvezetők vezetési folyamatainak leírásának kényelme érdekében bevezetik a kvázirészecske fogalmát - egy lyukat  - egy pozitív töltésű részecske, amelynek töltése abszolút értékű az elektron töltésével. Valójában a lyuk egy elektron, amely egy szabad szomszédos üresedésbe ugrik a félvezető kristályrácsában. Makroszkóposan a lyukak valódi pozitív töltésű részecskékként viselkednek, különösen az EMF jele a Hall-effektusban a pozitív töltésű részecskék mozgását jelzi egy lyukfélvezetőben.

Az elektronok és a lyukak koncentrációinak aránya szerint megkülönböztetik a belső félvezetőket, amelyekben az elektronok és a lyukak koncentrációja egyenlő, az elektronikus vezetőképességű félvezetőket vagy más néven n-típusú vezetőképességű vagy egyszerűen n-típusú félvezetőket. megnövekedett elektronkoncentráció a lyukakhoz képest, és a lyuk típusú vezetőképességű félvezetőket p-típusú félvezetőknek nevezzük - a lyukak megnövekedett koncentrációjával.

Az ilyen vagy olyan vezetőképesség típusát adalékanyag adja a tiszta félvezetőnek . Azokat a szennyeződéseket, amelyek elektronikus típusú vezetőképességet biztosítanak a félvezetőnek, donor szennyeződéseknek , a lyuk típusú vezetőképességet biztosító szennyeződéseket pedig akceptor szennyeződéseknek nevezik .

Tiszta félvezetők és félvezetők, amelyekben az akceptor és donor szennyeződések azonos koncentrációja van, az ilyen félvezetőket kompenzált félvezetőknek nevezzük, amelyek saját félvezetőt alkotnak .

Az n-típusú félvezetőben lévő elektronokat többségi hordozóknak, a lyukakat kisebbségi hordozóknak nevezzük , a p-típusú félvezetőben pedig fordítva. A kisebbségi vivőáram bizonyos típusú félvezető eszközökben, például bipoláris tranzisztorokban fontos szerepet játszik, és aktív üzemmódban az alaprétegen átfolyó áram a kisebbségi vivőáram.

A sávelmélet szerint a félvezető kristályrácsában lévő elektron energiája nem vehet fel tetszőleges energiasorozatot, hanem csak az energiáik eshetnek bizonyos tartományokba – megengedett zónákon belül, amelyeket sávköz választ el . Az alacsonyabb energiájú megengedett sávot vegyértéksávnak , míg a nagy energiájú megengedett sávot vezetési sávnak nevezzük . A vegyértéksáv energiájú elektronok nem szabadok, azaz nem mozoghatnak elektromos tér hatására, mivel ebben a sávban minden energiaszint foglalt, és a Pauli-féle kizárási elv szerint az elektron nem tudja megváltoztatni állapotát, ill. a mozgás állapotváltást igényel. A vezetési sáv energiáival rendelkező elektronok mozgékonyak, mivel ezek fölött szabad energiaszintek találhatók.

Ha egy elektront eltávolítunk a vegyértéksávból, akkor pozitív töltésű üresedés keletkezik benne - egy lyuk, amelyet egy másik elektron foglalhat el a vegyértéksávból, azaz elektromos mező alkalmazásakor a lyukak elmozdulnak a vegyértéksávban - elektromos vezetőképesség megjelenése a vegyértéksávban - lyukvezetőképesség.

Az elektron felszabadulása a félvezető kristályrácsának egy csomópontjából és a vezetési sávba való átvitele bizonyos aktiválási (ionizációs) energia ráfordítását követeli meg. Ez az energia tiszta félvezetőkben egyenlő a vezetési sáv alsó és a vegyértéksáv felső energiái közötti különbséggel, és sávrésnek nevezik. Adalékolt félvezetőkben az aktiválási energia egyenlő a donor és akceptor szennyeződések szintje közötti különbséggel.

Mivel a szabad hordozók félvezetőben való megjelenése aktiválási energiát igényel, abszolút nulla hőmérsékleten és külső besugárzás hiányában minden félvezető szigetelő. A hőmérséklet emelkedésével az elektronok egy része a vegyértéksávból átmegy a vezetési sávba, és elektromos vezetőképesség lép fel. Az adalékolt félvezetőkben az akceptor szintek a vegyértéksáv teteje közelében, a donor szennyeződések szintje a vezetési sáv alja közelében vannak, ezért az adalékolt félvezetőkben az ionizáció (töltéshordozók megjelenése) nagyon alacsony aktiválási energiát igényel. Ezért az enyhén adalékolt félvezetőkben már szobahőmérsékleten minden szennyező atom ionizálódik, és a vezetést elsősorban az adalékanyag koncentrációja határozza meg.

Töltőhordozók elektrolitokban

Az elektrolitokban a töltéshordozók ionok. Az elektrolitok oldataiban és olvadékaiban az elektromosan semleges molekulák egy része töltött részecskékre bomlik, töltésmentes ionokkal. A pozitív töltésű ionokat kationoknak, negatív töltésű anionoknak nevezzük. Az elektromos tér hatására az ionok elektromos áramot képezve mozognak, az anionok pedig az elektromos térerősség vektorával szemben - az anódra, a kationok - a katódra, az ionok mozgási irányában. egy másik töltésjelről, és kapták a nevüket.

Vannak ionos vezetőképességű szilárd anyagok is - az úgynevezett szilárd elektrolitok . A szilárd elektrolitok ionos kristályok , amelyekben a kristályrács helyein lévő ionok gyengén kötődnek a rácshoz, és átvándorolhatnak a kristályon. Az elektromos tér hatására a szilárd elektrolitokban lévő ionok a töltés előjelétől függően rendezett mozgást végeznek az elektromos térerősség vektora mentén vagy ellen. A szilárd elektrolitokra példa az Ag + ezüstion vezetőképességű ezüst-jodid vagy a periódusos rendszer III. csoportjába tartozó átmenetifém-oxiddal adalékolt cirkónium-dioxid , amelynek oxigénion-vezetőképessége O 2- a kristályrács üresedései miatt, valamint sok szilárd elektrolit és néhány H + hidrogénion vezetőképességű polimer . Sok szilárd elektrolitban, például adalékolt cirkónium-dioxidban, az ionos vezetőképességet az üresedés eltolásával végzik - egy oxigénion egy mező hatására a kristályrács egy szomszédos üres helyére mozog, és ott is marad, a lyukhoz hasonló vezetési mechanizmus. vezetés a félvezetőkben.

Töltéshordozók vákuumban és ritkított plazmában

A vákuumban lévő töltéshordozók elektronok, ionok, egyéb töltött elemi részecskék. Ha nagy a vákuum, olyan esetekben, amikor a részecske szabad útja jóval nagyobb, mint a figyelembe vett méret, vagyis a Knudsen-szám jóval nagyobb, mint 1 töltött részecskék - a töltéshordozók nem kölcsönhatásba lépőnek tekinthetők, és a részecskékben mozognak. elektromos tér hiánya egyenes vonalban és egyenletesen, amíg nem ütköznek az edény falával. Amikor elektromos mezőt alkalmazunk, a töltött részecskék elektromos erő hatására gyorsan mozognak.

A vákuumban a töltések speciális esete egy rendkívül ritka plazma  , amely különböző töltésű töltéshordozók elektromosan semleges keveréke.

Volumen töltés

Általában egy olyan környezetben, ahol szabad töltéshordozók vannak, a pozitív töltésű részecskék teljes töltése megegyezik a negatív töltésű részecskék teljes töltésével, ezért az ilyen környezet elektromosan semleges. De bizonyos esetekben az egyik jel teljes töltése felülmúlja a másik jel teljes töltését. Ebben az esetben térfogati vagy felületi töltésről beszélünk . A térfogati vagy felületi töltés jelenléte a Gauss-tételnek megfelelően elektromos mezőt generál. Az elektromos tér a töltéshordozók mozgását és a tértöltés újraeloszlását idézi elő, igyekszik kiegyenlíteni a különböző előjelű töltések koncentrációját. Ezért a tértöltés hosszú távú fennállásához szükség van annak fenntartására szolgáló mechanizmusra. Például az elektronok munkafunkciója megakadályozza a töltés áramlását a negatív töltésű testekből.

A kialakuló tértöltés fontos szerepet játszik az elektrovákuum eszközök fizikai folyamataiban - az elektronok tértöltése a vákuumban vagy a tértöltési zónák a félvezető eszközök pn átmeneteiben, amely az elektronok és lyukak ellendiffúziójából és az érintkezési potenciál különbségből ered .

Töltéshordozók generálása és rekombinációja

Az elektrolitokban, a félvezetőkben és a plazmában a részecskék rekombinációs és ionizációs folyamatai egyszerre mennek végbe. Az elektromosan semleges atomok és molekulák töltött részecskékre bomlanak fel - ionizáció, és ezzel egyidejűleg a különböző előjelű részecskék vonzzák egymást és elektromosan semleges részecskéket képeznek - rekombináció. Egyensúlyi állapotban az egységnyi időre eső rekombinációs és disszociációs események száma megegyezik egymással, a töltéshordozók egyensúlyi koncentrációja jön létre a közegben. Az egyensúlyi állapotból kikerült rendszer fokozatosan spontán egyensúlyba kerül. A töltések egyensúlyi koncentrációjának megállapításához szükséges időállandót relaxációs időnek nevezzük .

A semleges részecskék disszociációja elsősorban a részecskék hőmozgása és rezgése, ütközései miatt következik be. Mivel a disszociációhoz bizonyos energia, úgynevezett aktiválási energia szükséges , ezért a töltéshordozók koncentrációja, ha nincs más, a termikus disszociációt akadályozó tényező, a hőmérséklet emelkedésével nő. Éppen ezért az elektrolitok, félvezetők, nem teljesen ionizált plazma elektromos vezetőképessége a hőmérséklet emelkedésével nő. Mennyiségileg az anyagban lévő töltéshordozók koncentrációját a hőmérséklet függvényében az Arrhenius-egyenlet fejezi ki .

Létezik egy ismert mechanizmus a töltött részecskékké való disszociációra külső, nem termikus befolyással, például elektromágneses sugárzással vagy gyors részecskék áramával, például elektronárammal, ionizáló sugárzással . Ilyen hatás hatására a töltéshordozók koncentrációja megnő az egyensúlyi termikus koncentrációhoz képest. Egy foton vagy egy töltött részecske abszorpciója egy félvezetőben nagy valószínűséggel elektron-lyuk pár keletkezik, ezt a jelenséget különféle félvezető fotodetektorokban és félvezető részecskedetektorokban alkalmazzák. Makroszkóposan a töltéshordozók koncentrációjának növekedése az elektromos tulajdonságok, például az elektromos vezetőképesség változásában nyilvánul meg.

A töltött részecskék rekombinációja a disszociációs energiával vagy ionizációs energiával megegyező energia felszabadulásával jár. Ez az energia a legtöbb esetben hőmozgássá alakul, de másfajta energiává alakulhat át, például egy foton el tudja vinni, mint a fénykibocsátó diódákban és a félvezető lézerekben az elektronok rekombinációja során. lyuk párok.

A töltéshordozók átlagos szabad útja

Azt az átlagos távolságot, amelyen át egy töltéshordozó mozgása függetlennek tekinthető más részecskék jelenlététől, átlagos szabad útnak nevezzük. Általában ez a távolság megegyezik egy részecske úthosszával egy másik részecskével való ütközés előtt, de például egy plazmában az úthossz egy másik töltött plazmarészecskékkel való jelentős elektrosztatikus kölcsönhatásig és a mozgás irányának megváltozásához szükséges távolság. .

Az elektrolitokban az átlagos szabad utat az ütközések, a fémekben az elektronok átlagos szabad útját az elektronok atomokon való szóródása, a kristályrács hibái és annak hőrezgései – fononokon történő szóródása – korlátozzák .

A félvezetőkben az elektronokat és a lyukakat kristályrács-hibák, szennyező atomok és fononok szórják szét. A tiszta félvezetőkben az átlagos szabad út alacsony hőmérsékleten több millimétert is elérhet.

Vákuumban és ritkított plazmában az átlagos szabad út fogalma értelmét veszti, mivel a részecskék nem lépnek kölcsönhatásba. Hagyományosan feltételezhetjük, hogy a szabad út hossza megegyezik a hajó méreteivel.

Minél nagyobb az átlagos szabad út és minél nagyobb a hordozókoncentráció , annál nagyobb az elektromos vezetőképesség :

Jegyzetek

1. ↑ Fizikai enciklopédikus szótár. — M.: Szovjet Enciklopédia. A. M. Prokhorov főszerkesztő. 1983.