الموصلية الكهربائية للمواد المختلفة. الموصلية الإلكترونية للمعادن

التوصيل الكهربائي للمعادن وأشباه الموصلات

الموصلية الكهربائية للمعادن

يُظهر الحساب الميكانيكي الكمومي المقابل أنه في حالة الشبكة البلورية المثالية ، لن تواجه إلكترونات التوصيل أي مقاومة أثناء حركتها وستكون الموصلية الكهربائية للمعادن كبيرة بشكل لا نهائي. ومع ذلك ، فإن الشبكة البلورية ليست مثالية أبدًا. ترجع انتهاكات الدورية الصارمة للشبكة إلى وجود شوائب أو شواغر (أي عدم وجود ذرات في الموقع) ، فضلاً عن الاهتزازات الحرارية في الشبكة. يؤدي تشتت الإلكترونات بواسطة ذرات الشوائب والفوتونات إلى ظهور مقاومة كهربائية في المعادن. وكلما كان المعدن أنقى وانخفضت درجة الحرارة ، قلت هذه المقاومة.

يمكن تمثيل المقاومة الكهربائية للمعادن

أين  العد - المقاومة بسبب الاهتزازات الحرارية للشبكة ،  تقريباهي المقاومة بسبب تشتت الإلكترونات بواسطة ذرات الشوائب. مصطلح  ينخفض ​​العمود مع انخفاض درجة الحرارة ويختفي عند T = 0K. مصطلح  تقريباعند تركيز منخفض من الشوائب لا تعتمد على درجة الحرارة وتشكل ما يسمى المقاومة المتبقيةالمعدن (أي المقاومة التي يمتلكها المعدن عند 0 ك).

يجب أن يكون هناك وحدة حجم المعدن نالإلكترونات الحرة. دعنا نسمي متوسط ​​سرعة هذه الإلكترونات سرعة الانجراف . حسب التعريف

في حالة عدم وجود مجال خارجي ، تكون سرعة الانجراف صفراً ولا يوجد تيار كهربائي في المعدن. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي على المعدن ، تصبح سرعة الانجراف مختلفة عن الصفر - ينشأ تيار كهربائي في المعدن. وفقا للقانون أوماسرعة الانجراف محدودة وتتناسب مع القوة
.

من المعروف من الميكانيكا أن سرعة الحركة الثابتة تتناسب مع القوة الخارجية المؤثرة على الجسم Fعندما ، بالإضافة إلى القوة - F، تؤثر قوة مقاومة الوسط على الجسم ، والتي تتناسب مع سرعة الجسم (مثال على ذلك سقوط كرة صغيرة في وسط لزج). ومن هنا نستنتج أنه بالإضافة إلى القوة
، تؤثر قوة "الاحتكاك" على إلكترونات التوصيل في المعدن ، والتي يساوي متوسط ​​قيمتها

(ص- معامل التناسب).

معادلة الحركة للإلكترون "المتوسط" الشكل

,

أين م * هي الكتلة الفعالة للإلكترون. تسمح لك هذه المعادلة بإيجاد القيمة الثابتة .

إذا تم إيقاف تشغيل الحقل الخارجي بعد إنشاء حالة ثابتة تبدأ سرعة الانجراف في الانخفاض وعند الوصول إلى حالة التوازن بين الإلكترونات والشبكة ، تختفي. دعونا نجد قانون انخفاض سرعة الانجراف بعد إيقاف المجال الخارجي. وضع في
، نحصل على المعادلة

نحن على دراية بهذا النوع من المعادلات. يبدو الحل له

,

أين
- قيمة سرعة الانجراف في اللحظة التي يتم فيها إيقاف تشغيل الحقل.

يتبع ذلك خلال الوقت

تنخفض قيمة سرعة الانجراف في هذات مرة. وبالتالي ، فإن القيمة هي وقت الاسترخاء الذي يميز عملية إنشاء التوازن بين الإلكترونات والشبكة ، المضطرب بفعل مجال خارجي .

يمكن كتابة الصيغة المحددة على النحو التالي:

.

يمكن إيجاد القيمة الثابتة لسرعة الانجراف من خلال مساواة مجموع القوة بصفر
وقوة الاحتكاك:

.

.

نحصل على القيمة الثابتة للكثافة الحالية بضرب هذه القيمة بتهمة الإلكترون هوكثافة الإلكترون ن:

.

عامل التناسب بين
هي الموصلية الكهربائية  . في هذا الطريق،

.

التعبير الكلاسيكي عن التوصيل الكهربائي للمعادن له الشكل

,

أين   هو متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات ، م هي الكتلة العادية (غير الفعالة) للإلكترون.

من مقارنة الصيغ ويترتب على ذلك أن وقت الاسترخاء يتزامن بترتيب الحجم مع متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات في المعدن.

استنادًا إلى الاعتبارات المادية ، من الممكن تقدير الكميات المدرجة في التعبير ، وبالتالي حساب الموصلية حسب الحجم  . تتوافق القيم التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة جيدًا مع البيانات التجريبية. أيضا ، بالاتفاق مع التجربة ، اتضح ذلك  تختلف حسب درجة الحرارة حسب القانون 1 / تي. تذكر أن النظرية الكلاسيكية تعطي ذلك  يتناسب عكسيا
.

نلاحظ أن الحسابات التي أدت إلى الصيغة مناسبة بشكل متساوٍ للتفسير الكلاسيكي لحركة إلكترونات التوصيل في المعدن وللتفسير الميكانيكي الكمومي. الفرق بين هذين التفسيرين هو على النحو التالي. في الاعتبار الكلاسيكي ، يُفترض أن جميع الإلكترونات منزعجة من مجال كهربائي خارجي ، وفقًا لذلك يتلقى كل مصطلح في الصيغة إضافة في الاتجاه

عكس . في التفسير الميكانيكي الكمومي ، على المرء أن يأخذ في الحسبان أن الإلكترونات التي تشغل حالات بالقرب من مستوى فيرمي هي فقط التي تضطرب بسبب المجال وتغير سرعتها. الإلكترونات الموجودة في مستويات أعمق لا يزعجها المجال ، ولا تتغير مساهمتها في المجموع. بالإضافة إلى ذلك ، في التفسير الكلاسيكي ، يجب أن يكون مقام الصيغة هو الكتلة المعتادة للإلكترون مفي التفسير الميكانيكي الكمومي ، بدلاً من الكتلة المعتادة ، يجب أخذ الكتلة الفعالة للإلكترون م * . هذا الظرف هو مظهر من مظاهر القاعدة العامة ، والتي بموجبها تصبح العلاقات التي تم الحصول عليها في تقريب الإلكترونات الحرة صالحة للإلكترونات التي تتحرك في المجال الدوري للشبكة ، إذا استبدلنا الكتلة الحقيقية للإلكترون فيها مكتلة فعالة م * .

الموصلية الفائقة

عند درجة حرارة تصل إلى عدة درجات كلن ، تتحول المقاومة الكهربائية لعدد من المعادن والسبائك فجأة إلى مادة صفرية ، وتنتقل إلى حالة فائقة التوصيل. تسمى درجة الحرارة التي يحدث فيها هذا الانتقال حرارة حرجةوالمشار إليها تيك . أعلى قيمة ملحوظة تي k تساوي  20 K.

من الناحية التجريبية ، يمكن ملاحظة الموصلية الفائقة بطريقتين:

1) من خلال تضمين رابط موصل فائق في الدائرة الكهربائية المشتركة. في لحظة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق ، يتلاشى فرق الجهد في نهايات هذا الارتباط ؛

2) بوضع حلقة فائقة التوصيل في مجال مغناطيسي عمودي عليها. بعد تبريد الحلقة أدناه ، قم بإيقاف تشغيل الحقل. نتيجة لذلك ، يتم إحداث تيار كهربائي مستمر في الحلقة. التيار في مثل هذه الحلقة يدور إلى أجل غير مسمى.

أظهر العالم الهولندي جي كامرلنج أونز ، الذي اكتشف ظاهرة الموصلية الفائقة ، ذلك من خلال نقل حلقة فائقة التوصيل مع تيار يتدفق عبرها من ليدن إلى كامبريدج. في عدد من التجارب ، لوحظ غياب الاضمحلال الحالي في الحلقة فائقة التوصيل لمدة عام تقريبًا. في عام 1959 ، ذكر كولينز أنه لم يلاحظ أي انخفاض في التيار لمدة عامين ونصف.

بالإضافة إلى عدم وجود مقاومة كهربائية ، تتميز حالة الموصلية الفائقة بحقيقة أن المجال المغناطيسي لا يخترق الجزء الأكبر من الموصل الفائق. هذه الظاهرة تسمى تأثير مايسنر. إذا تم تبريد عينة فائقة التوصيل عن طريق وضعها في مجال مغناطيسي ، في لحظة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق ، يتم دفع الحقل خارج العينة ، ويختفي الحث المغناطيسي في العينة. رسميًا ، يمكننا القول أن الموصل الفائق له نفاذية مغناطيسية صفرية (  = 0). المواد ذات  < 1 تسمى Diamagnets. وبالتالي ، فإن الموصل الفائق هو مغناطيس مثالي.

يدمر المجال المغناطيسي الخارجي القوي بدرجة كافية حالة التوصيل الفائق. تسمى قيمة الحث المغناطيسي الذي يحدث عنده هذا مجال حرجوالمشار إليها بك . المعنى ب k يعتمد على درجة حرارة العينة. في درجة حرارة حرجة ب k = 0 ، مع انخفاض قيمة درجة الحرارة بك الزيادات تميل إلى - قيمة المجال الحرج عند درجة حرارة صفر. يظهر الشكل التقريبي لهذا الاعتماد في الشكل 1

إذا قمنا بتضخيم التيار المتدفق عبر الموصل الفائق المتضمن في الدائرة المشتركة ، فعندئذٍ بقيمة القوة الحالية أناك تم تدمير حالة التوصيل الفائق. هذه القيمة الحالية تسمى تيار حرج. المعنى أناك يعتمد على درجة الحرارة. شكل هذا الاعتماد مشابه للتبعية بك من تي(انظر الشكل 1).

الموصلية الفائقة هي ظاهرة لا توجد فيها تأثيرات ميكانيكا الكم على المقاييس المجهرية ، ولكن على المقاييس الكبيرة والميكروسكوبية. تم إنشاء نظرية الموصلية الفائقة في عام 1957 من قبل جيه باردين ، وإل كوبر ، وج. يطلق عليه لفترة وجيزة نظرية BCS. هذه النظرية معقدة للغاية. لذلك ، فنحن مضطرون لأن نقتصر على تقديمها على مستوى كتب العلوم الشعبية ، والتي ، على ما يبدو ، لن تكون قادرة على إرضاء القارئ المتطلب بشكل كامل.

يكمن مفتاح الموصلية الفائقة في حقيقة أنه بالإضافة إلى تنافر كولوم ، فإن الإلكترونات في المعدن تختبر نوعًا خاصًا من الجذب المتبادل ، والذي يسود في حالة التوصيل الفائق على التنافر. نتيجة لذلك ، يتم دمج إلكترونات التوصيل في ما يسمى الأزواج كوبر. الإلكترونات في هذا الزوج لها دوران متعاكس. لذلك ، فإن دوران الزوج يساوي صفرًا ، وهو بوزون. تميل البوزونات إلى التراكم في حالة الطاقة الأرضية ، والتي من الصعب نسبيًا إحضارها إلى حالة الإثارة. وبالتالي ، فإن أزواج كوبر ، بعد أن دخلت في حركة منسقة ، تظل في هذه الحالة لفترة طويلة إلى أجل غير مسمى. هذه الحركة المنسقة للأزواج هي تيار الموصلية الفائقة.

دعونا نشرح ما قيل بمزيد من التفصيل. إلكترون يتحرك في معدن يشوه (يستقطب) شبكة بلورية تتكون من أيونات موجبة. نتيجة لهذا التشوه ، يُحاط الإلكترون بـ "سحابة" من الشحنة الموجبة ، والتي تتحرك على طول الشبكة مع الإلكترون. يعد الإلكترون والسحابة المحيطة به نظامًا موجب الشحنة ينجذب إليه إلكترون آخر. وهكذا ، تلعب الشبكة الأيونية دور وسيط وسيط ، يؤدي وجودها إلى التجاذب بين الإلكترونات.

في لغة ميكانيكا الكم ، يفسر التجاذب بين الإلكترونات كنتيجة للتبادل بين إلكترونات الإثارة الشبكية الفونونات الكمومية. ينتهك الإلكترون الذي يتحرك في المعدن نظام الاهتزازات الشبكية - فهو يثير الفونونات. تنتقل طاقة الإثارة إلى إلكترون آخر يمتص الفونون. نتيجة لمثل هذا التبادل للفونونات ، ينشأ تفاعل إضافي بين الإلكترونات ، والذي له طابع الجذب. في درجات الحرارة المنخفضة ، هذا الانجذاب للمواد ذات الموصلات الفائقة يتجاوز تنافر كولوم.

يكون التفاعل الناتج عن تبادل الفونونات أكثر وضوحًا بالنسبة للإلكترونات ذات العزم والدوران المعاكسين. نتيجة لذلك ، يتحد اثنان من هذه الإلكترونات في زوج كوبر. لا ينبغي اعتبار هذا الزوج على أنه إلكترونان عالقون معًا. على العكس من ذلك ، فإن المسافة بين إلكترونات الزوج كبيرة جدًا ، فهي تقارب 10-4 سم ، أي يتجاوز المسافات بين الذرية في البلورة بأربع مرات من حيث الحجم. يتداخل بشكل ملحوظ 10 6 أزواج كوبر ؛ تشغل المساحة الإجمالية.

لا تتحد كل إلكترونات التوصيل في أزواج كوبر. عند درجة حرارة تي، بخلاف الصفر المطلق ، هناك بعض الاحتمالات بأن الزوج سيتم تدميره. لذلك ، جنبًا إلى جنب مع الأزواج ، هناك دائمًا إلكترونات "طبيعية" تتحرك عبر البلورة بالطريقة المعتادة. الاقرب تي و تيك ، يصبح جزء الإلكترونات العادي أكبر ، ويتحول إلى 1 في تي = تيك . . لذلك ، في درجات حرارة أعلى تيك حالة الموصلية الفائقة ممكنة.

يؤدي تكوين أزواج Cooper إلى إعادة ترتيب طيف الطاقة للمعدن. لإثارة نظام إلكتروني في حالة فائقة التوصيل ، من الضروري تدمير زوج واحد على الأقل ، الأمر الذي يتطلب طاقة مساوية لطاقة الربط هعدد الإلكترونات في الزوج. هذه الطاقة هي الحد الأدنى من الطاقة التي يمكن أن يمتصها نظام الإلكترونات في موصل فائق. وبالتالي ، في طيف طاقة الإلكترونات في حالة التوصيل الفائق ، توجد فجوة في العرض هسانت ، وتقع في منطقة مستوى فيرمي. قيم الطاقة التي تنتمي إلى هذه الفجوة محظورة. تم إثبات وجود فجوة تجريبياً.

وبالتالي ، يتم فصل الحالة المثارة لنظام إلكتروني في حالة الموصلية الفائقة عن الحالة الأرضية بواسطة فجوة طاقة في العرض هشارع. لذلك ، لن تكون التحولات الكمومية لهذا النظام ممكنة دائمًا. عند السرعات المنخفضة لحركتها (المقابلة لقوة حالية أقل من أناك) سيكون نظامها الإلكتروني متحمسًا ، وهذا يعني الحركة بدون احتكاك ، أي بدون مقاومة كهربائية.

عرض فجوة الطاقة هتتناقص sv مع زيادة درجة الحرارة وتختفي عند درجة الحرارة الحرجة تيك . وفقًا لذلك ، يتم تدمير جميع أزواج Cooper ، وتمر المادة إلى الحالة الطبيعية (غير فائقة التوصيل).

ينتج عن نظرية الموصلية الفائقة أن التدفق المغناطيسي المرتبط بحلقة التوصيل الفائق (أو الأسطوانة) التي يدور التيار من خلالها يجب أن يكون عددًا صحيحًا من مضاعفات
، أين ف - رسوم الناقل الحالية

.

قيمة

يمثل كمية التدفق.

تم اكتشاف تكمية التدفق المغناطيسي بشكل تجريبي في عام 1961 بواسطة Deaver و Fairbank وبشكل مستقل بواسطة Doll و Nebauer. في تجارب Deaver و Fairbank ، كانت العينة عبارة عن شريط من القصدير موضوع على سلك نحاسي يبلغ قطره حوالي 10-3 سم ، ولعب السلك دور الإطار ولم ينتقل إلى حالة التوصيل الفائق. تبين أن القيم المقاسة للتدفق المغناطيسي في هذه التجارب ، وكذلك في تجارب Doll و Nebauer ، هي مضاعفات صحيحة للقيمة التي ، فتأخذ ضعف شحنة الإلكترون ف = - 2ه) . هذا بمثابة تأكيد إضافي لصحة نظرية BCS ، والتي بموجبها تكون الناقلات الحالية في الموصل الفائق أزواج Cooper ، والتي تساوي شحنتها إجمالي شحنة إلكترونين ، أي. - 2ه.

أشباه الموصلات

أشباه الموصلات عبارة عن مواد بلورية يتم فيها ملء شريط التكافؤ بالكامل بالإلكترونات ، وتكون فجوة النطاق صغيرة (لأشباه الموصلات الجوهرية ، لا تزيد عن 1 فولت). تدين أشباه الموصلات باسمها لحقيقة أنها من حيث الموصلية الكهربائية تحتل موقعًا وسيطًا بين المعادن والعوازل الكهربائية. ومع ذلك ، فإن خصائصها ليست حجم الموصلية ، ولكن حقيقة أن موصليةها تزداد مع زيادة درجة الحرارة (تذكر أنه في المعادن يتناقص).

يميز ملكو نجاسةأشباه الموصلات. من بين تلك الجوهرية أشباه الموصلات النقية كيميائيا. يتم تحديد الخواص الكهربائية لأشباه موصلات الشوائب بواسطة الشوائب الاصطناعية الموجودة فيها.

عند النظر في الخصائص الكهربائية لأشباه الموصلات ، يلعب مفهوم "الثقوب" دورًا مهمًا. دعونا نتناول توضيح المعنى المادي لهذا المفهوم.

في أشباه الموصلات الجوهرية عند الصفر المطلق ، تمتلئ جميع مستويات نطاق التكافؤ بالكامل بالإلكترونات ، ولا توجد إلكترونات في نطاق التوصيل (الشكل 2 أ). لا يستطيع المجال الكهربائي نقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. لذلك ، تتصرف أشباه الموصلات الجوهرية عند الصفر المطلق كعوازل كهربائية. في درجات حرارة غير 0 كلفن ، يمر جزء من الإلكترونات من المستويات العليا من نطاق التكافؤ نتيجة الإثارة الحرارية إلى المستويات الأدنى من نطاق التوصيل (الشكل 2 ب). في ظل هذه الظروف ، يكون المجال الكهربائي قادرًا على تغيير حالة الإلكترونات في نطاق التوصيل. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لتشكيل المستويات الشاغرة في نطاق التكافؤ ، يمكن لإلكترونات هذا النطاق أيضًا تغيير سرعتها تحت تأثير مجال خارجي. نتيجة لذلك ، تصبح الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات غير صفرية.

اتضح أنه في وجود مستويات شاغرة ، يمكن تمثيل سلوك الإلكترونات في نطاق التكافؤ كحركة لأشباه الجسيمات موجبة الشحنة ، تسمى "الثقوب". نظرًا لأن موصلية نطاق تكافؤ ممتلئ تمامًا تساوي الصفر ، فإن مجموع سرعات جميع الإلكترونات في مثل هذا النطاق يساوي صفرًا

دعونا نستخلص السرعة من هذا المجموع كعشر الإلكترون

ويترتب على هذه العلاقة أنه إذا كغائب الإلكترون في نطاق التكافؤ ، ثم يتبين أن مجموع سرعات الإلكترونات المتبقية يساوي
. لذلك ، ستخلق كل هذه الإلكترونات تيارًا يساوي
. وبالتالي ، يتبين أن التيار الناتج مكافئ للتيار الذي سينتج عن جسيم به شحنة + ه، والتي لها سرعة الإلكترون المفقود. هذا الجسيم التخيلي عبارة عن ثقب.

يمكن أيضًا الوصول إلى مفهوم الثقوب بالطريقة التالية. تتشكل المستويات الشاغرة في الجزء العلوي من شريط التكافؤ. كما هو موضح ، الكتلة الفعالة للإلكترون في الجزء العلوي من نطاق الطاقة سالبة. عدم وجود جسيم ذو شحنة سالبة (- ه) والكتلة السالبة م * يعادل وجود جسيم بشحنة موجبة (+ ه) والكتلة الموجبة | م * | أولئك. الثقوب.

لذلك ، من حيث خصائصه الكهربائية ، فإن نطاق التكافؤ الذي يحتوي على عدد صغير من الحالات الشاغرة يعادل نطاقًا فارغًا يحتوي على عدد صغير من أشباه الجسيمات موجبة الشحنة تسمى الثقوب.

نؤكد أن حركة الثقب ليست إزاحة بعض الجسيمات الموجبة الشحنة الحقيقية. يعكس مفهوم الثقوب طبيعة حركة النظام متعدد الإلكترونات بأكمله في أشباه الموصلات.

الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات

ينتج التوصيل الداخلي عن انتقال الإلكترونات من المستويات العليا لفرقة التكافؤ إلى نطاق التوصيل. في الوقت نفسه ، يظهر عدد معين من الموجات الحاملة الحالية في نطاق التوصيل - تشغل الإلكترونات مستويات بالقرب من أسفل النطاق ، وفي نفس الوقت يتم إخلاء نفس عدد الأماكن في المستويات العليا في نطاق التكافؤ ، مثل نتيجة ظهور الثقوب

يتم وصف توزيع الإلكترونات على مستويات نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل بواسطة وظيفة Fermi-Dirac. يمكن توضيح هذا التوزيع من خلال وصف كيفية القيام به في الشكل. الرسم البياني لوظيفة التوزيع مع مخطط مناطق الطاقة.

يوضح الحساب المقابل أنه بالنسبة لأشباه الموصلات الجوهرية ، فإن قيمة مستوى فيرمي المحسوب من أعلى نطاق التكافؤ يساوي

,

أين  ههي فجوة النطاق ، و مد * ط م e * هي الكتل الفعالة للثقب والإلكترون الموجود في نطاق التوصيل. عادةً ما يكون المصطلح الثاني مهملاً ، ويمكننا افتراض ذلك
. هذا يعني أن مستوى فيرمي يقع في منتصف فجوة النطاق. وبالتالي ، بالنسبة للإلكترونات التي مرت إلى نطاق التوصيل ، فإن القيمة ه - ه Fيختلف قليلاً عن نصف فجوة النطاق. تقع مستويات نطاق التوصيل على ذيل منحنى التوزيع. لذلك ، يمكن إيجاد احتمال ملئها بالإلكترونات باستخدام الصيغة (1.23) من الفقرة السابقة. وضع هذه الصيغة
، حصلنا على ذلك

.

سيكون عدد الإلكترونات التي مرت في نطاق التوصيل ، وبالتالي عدد الثقوب المتكونة ، متناسبًا مع الاحتمال. هذه الإلكترونات والثقوب هي ناقلات حالية. نظرًا لأن الموصلية تتناسب مع عدد الموجات الحاملة ، فيجب أن تكون أيضًا متناسبة مع التعبير. وبالتالي ، فإن الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات الجوهرية تزداد بسرعة مع درجة الحرارة ، وتتغير وفقًا للقانون

,

أين  ههي فجوة النطاق ،  0 - القيمة التي تتغير مع درجة الحرارة أبطأ بكثير من الأس ، وبالتالي يمكن اعتبارها ثابتة في التقريب الأول.

إذا رسمنا التبعية ln  من تي، ثم بالنسبة لأشباه الموصلات الجوهرية ، يتم الحصول على خط مستقيم ، كما هو موضح في الشكل 4. يمكن استخدام ميل هذا الخط المستقيم لتحديد فجوة النطاق  ه.

أشباه الموصلات النموذجية هي عناصر المجموعة الرابعة من النظام الدوري لمندليف - الجرمانيوم والسيليكون. إنها تشكل شبكة من نوع الماس حيث ترتبط كل ذرة بروابط تساهمية (زوج-إلكترون) مع أربع ذرات متجاورة متباعدة بالتساوي منها. تقليديا ، يمكن تمثيل مثل هذا الترتيب المتبادل للذرات كهيكل مسطح ، كما هو موضح في الشكل. 5. دوائر بعلامة تشير إلى البقايا الذرية ذات الشحنة الموجبة (أي ذلك الجزء من الذرة الذي يبقى بعد إزالة إلكترونات التكافؤ) ، والدوائر التي عليها علامة - إلكترونات التكافؤ ، الخطوط المزدوجة - الروابط التساهمية.

عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية ، يمكن للحركة الحرارية أن تفكك الأزواج الفردية وتحرر إلكترونًا واحدًا. المكان الذي يتركه الإلكترون لم يعد محايدًا ، تنشأ شحنة موجبة زائدة في المنطقة المجاورة له ، بمعنى آخر. يتم تشكيل ثقب (في الشكل 5 يظهر من خلال دائرة منقطة). يمكن لإلكترون من أحد الأزواج المجاورة القفز إلى هذا المكان. نتيجة لذلك ، يبدأ الثقب بالتجول عبر البلورة وكذلك الإلكترون المحرر.

عندما يلتقي الإلكترون الحر بفتحة ، فإنهم إعادة توحيد(الاتصال). هذا يعني أن الإلكترون يحيد الشحنة الموجبة الزائدة الموجودة بالقرب من الثقب ويفقد حرية الحركة حتى يتلقى مرة أخرى طاقة من الشبكة البلورية كافية لإطلاقها. تؤدي إعادة التركيب إلى الاختفاء المتزامن لإلكترون حر وثقب. في الرسم البياني للمستوى ، تتوافق عملية إعادة التركيب مع انتقال الإلكترون من نطاق التوصيل إلى أحد المستويات الحرة لفرقة التكافؤ.

لذلك ، هناك عمليتان تجريان في وقت واحد في شبه موصل جوهري: ولادة إلكترونات حرة زوجية وثقوب وإعادة التركيب ، مما يؤدي إلى اختفاء الإلكترونات والثقوب في أزواج. يزداد احتمال العملية الأولى بسرعة مع درجة الحرارة. يتناسب احتمال إعادة التركيب مع كل من عدد الإلكترونات الحرة وعدد الثقوب. لذلك ، تتوافق كل درجة حرارة مع تركيز توازن معين للإلكترونات والثقوب ، والتي تتغير مع درجة الحرارة بما يتناسب مع التعبير.

عندما لا يكون هناك مجال كهربائي خارجي ، تتحرك إلكترونات التوصيل والثقوب بشكل عشوائي. عندما يتم تشغيل المجال ، يتم فرض حركة منظمة على الحركة الفوضوية: الإلكترونات ضد المجال والثقوب - في اتجاه المجال. تؤدي كل من الحركة والثقوب والإلكترونات إلى نقل الشحنة على طول البلورة. وبالتالي ، يتم تحديد الموصلية الكهربائية الجوهرية ، كما كانت ، بواسطة حاملات الشحنة من علامتين - الإلكترونات السالبة والثقوب الموجبة.

لاحظ أنه عند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية ، لوحظ التوصيل الجوهري في جميع أشباه الموصلات دون استثناء. ومع ذلك ، في أشباه الموصلات التي تحتوي على شوائب ، تتكون الموصلية الكهربائية من موصلات داخلية وشوائب.

الموصلية النجاسة لأشباه الموصلات

تنشأ موصلية الشوائب إذا تم استبدال بعض ذرات أحد أشباه الموصلات في مواقع الشبكة البلورية بذرات يختلف تكافؤها بواحدة عن تكافؤ الذرات الرئيسية. يوضح الشكل 6 بشكل تقليدي شبكة الجرمانيوم مع خليط من ذرات الفوسفور الخماسي التكافؤ. تحتاج ذرة الفوسفور إلى أربعة إلكترونات لتشكيل روابط تساهمية مع جيرانها. وبالتالي ، تبين أن إلكترون التكافؤ الخامس ، كما كان ، غير ضروري ويمكن فصله بسهولة عن الذرة بسبب طاقة الحركة الحرارية ، مكونًا إلكترونًا حرًا متجولًا.

على عكس الحالة التي تم النظر فيها في الفقرة السابقة ، فإن تكوين الإلكترون الحر لا يترافق مع كسر الروابط التساهمية ، أي تشكيل حفرة. على الرغم من وجود شحنة موجبة زائدة بالقرب من ذرة الشوائب ، إلا أنها مرتبطة بهذه الذرة ولا يمكنها التحرك على طول الشبكة.

بسبب هذه الشحنة ، يمكن لذرة الشوائب أن تلتقط إلكترونًا يقترب منها ، لكن رابطة الإلكترون المأسور بالذرة ستكون هشة ويمكن كسرها بسهولة مرة أخرى بسبب الاهتزازات الحرارية للشبكة.

وهكذا ، في أشباه الموصلات ذات الشوائب ، التي يكون تكافؤها أكبر من تكافؤ الذرات الرئيسية ، يوجد نوع واحد فقط من ناقلات التيار - الإلكترونات. وفقًا لذلك ، يُقال إن أشباه الموصلات هذه لها موصلية إلكترونية أو أنها أشباه موصلات ن- اكتب (من الكلمة نفي - نفي). تسمى ذرات الشوائب التي تزود إلكترونات التوصيل المتبرعين.

دعونا نفكر في سلوك الإلكترونات الموصلة في معدن في حالة عدم توازن ، عندما تتحرك تحت تأثير الحقول الخارجية المطبقة. تسمى هذه العمليات ظاهرة النقل.

وكما هو معروف، الموصلية الكهربائية (التوصيل الكهربائي) o هي القيمة التي تتعلق بكثافة التيار الكهربائي والشدة في قانون أوم المحلي: ي - oE(انظر الصيغة (14.15) الجزء 1). تنقسم جميع المواد وفقًا لطبيعة التوصيل الكهربائي إلى ثلاث فئات: المعادن وأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية.

السمة المميزة المعادنهي الموصلية المعدنية - انخفاض في التوصيل الكهربائي مع زيادة درجة الحرارة (بتركيز ثابت من ناقلات التيار). السبب المادي للمقاومة الكهربائية في المعادن هو تشتت موجات الإلكترون بواسطة الشوائب وعيوب الشبكة ، وكذلك بواسطة الفونونات.

أهم ميزة أشباه الموصلاتهي قدرتها على تغيير خصائصها على نطاق واسع للغاية تحت تأثير التأثيرات المختلفة: درجة الحرارة ، والمجالات الكهربائية والمغناطيسية ، والإضاءة ، إلخ. على سبيل المثال ، تزيد الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات النقية أضعافا مضاعفة عند تسخينها.

في تي> 300 كلفن ، تختلف الموصلية النوعية للمواد ذات الصلة بأشباه الموصلات في نطاق واسع من 10 ~ 5 إلى 10 6 (أوم · م) -1 ، بينما بالنسبة للمعادن o أكثر من 10 6 (أوم · م) -1.

المواد ذات الموصلية النوعية المنخفضة للترتيب 10~ 5 (أوم م) -1 أو أقل ، راجع عوازل.تحدث الموصلية في درجات حرارة عالية جدًا.

تؤدي نظرية الكم إلى التعبير التالي عن التوصيل الكهربائي المعادن:

أين ص- تركيز الإلكترونات الحرة ؛ ر هو وقت الاسترخاء. ر * -الكتلة الفعالة للإلكترون.

وقت الاسترخاءيميز عملية إنشاء التوازن بين الإلكترونات والشبكة ، مضطربًا ، على سبيل المثال ، من خلال التضمين المفاجئ لمجال خارجي E.

مصطلح "الإلكترون الحر" يعني أنه لا توجد مجالات قوة تعمل على الإلكترون. حركة إلكترون موصل في بلورة تحت تأثير قوة خارجية Fوالقوى من جانب الشبكة البلورية في بعض الحالات يمكن وصفها بأنها حركة الإلكترون الحر ، والتي تتأثر فقط بالقوة F(قانون نيوتن الثاني ، انظر الصيغة (3.5) الجزء 1) ، لكن بكتلة فعالة ر * ،يختلف عن الكتلة ر هالإلكترون الحر.

تظهر الحسابات باستخدام التعبير (30.18) أن التوصيل الكهربائي للمعادن حوالي ~ 1 / T.تؤكد التجربة هذا الاستنتاج من نظرية الكم ، بينما وفقًا للنظرية الكلاسيكية

حول ~ لتر / الاب.

في أشباه الموصلاتتركيز الحاملات المتنقلة أقل بكثير من تركيز الذرات ، ويمكن أن يتغير مع التغيرات في درجة الحرارة ، أو الإضاءة ، أو التشعيع بتدفق الجسيمات ، أو التعرض لمجال كهربائي ، أو إدخال كمية صغيرة نسبيًا من الشوائب. حاملات الشحنة في أشباه الموصلات في نطاق التوصيل هي الإلكترونات (إلكترونات التوصيل) ، وفي نطاق التكافؤ - أشباه الجسيمات موجبة الشحنة الثقوب.عندما لا يوجد إلكترون في نطاق التكافؤ لأي سبب من الأسباب ، يُقال أن هناك ثقبًا (حالة شاغرة) قد تشكل فيه. تستخدم مفاهيم الثقوب وإلكترونات التوصيل لوصف النظام الإلكتروني لأشباه الموصلات وأشباه المعادن والمعادن.

في حالة التوازن الديناميكي الحراري ، تعتمد تركيزات الإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات على درجة حرارة وتركيز الشوائب النشطة كهربيًا ، وعلى فجوة النطاق A E.

يتم التمييز بين أشباه الموصلات الجوهرية والخارجية. أشباه الموصلات الخاصةهي أشباه موصلات نقية كيميائيًا (مثل الجرمانيوم Ge ، السيلينيوم Se). عدد الإلكترونات فيها يساوي عدد الثقوب. التوصيلتسمى هذه أشباه الموصلات ملك.

في أشباه الموصلات الجوهرية في تي\ u003d O K تم ملء شريط التكافؤ بالكامل ، وشريط التوصيل مجاني. لذلك ، متى تي =حول K وغياب الإثارة الخارجية ، تتصرف أشباه الموصلات الجوهرية مثل العوازل الكهربائية. مع ارتفاع درجة الحرارة ، بسبب الإثارة الحرارية ، سوف تمر الإلكترونات من المستويات العليا من نطاق التكافؤ إلى شريط التوصيل. في نفس الوقت ، يصبح من الممكن أن تمر إلكترونات نطاق التكافؤ إلى المستويات العليا التي تم إخلاؤها. ستساهم الإلكترونات الموجودة في شريط التوصيل والثقوب الموجودة في نطاق التكافؤ في التوصيل الكهربائي.

تسمى الطاقة المطلوبة لنقل الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل طاقة التفعيلالموصلية الخاصة.

عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي على بلورة ، تتحرك الإلكترونات عكس المجال وتنتج تيارًا كهربائيًا. في مجال خارجي ، عندما ينتقل إلكترون التكافؤ المجاور إلى مكان شاغر ، "يتحرك" الثقب إلى مكانه. نتيجة لذلك ، فإن الثقب ، تمامًا مثل الإلكترون الذي يمر في نطاق التوصيل ، سوف يتحرك عبر البلورة ، ولكن في الاتجاه المعاكس لحركة الإلكترون. بشكل رسمي ، يتحرك الجسيم ذو الشحنة الموجبة المساوية للقيمة المطلقة لشحنة الإلكترون على طول البلورة في اتجاه المجال. لمراعاة العمل على الشحنات الأولية للمجال الداخلي للبلورة للثقوب ، تم تقديم مفهوم الكتلة الفعالة w *. لذلك ، عند حل المشكلات ، يمكننا أن نفترض أن الثقب ذي الكتلة الفعالة يتحرك فقط تحت تأثير مجال خارجي واحد.

في المجال الخارجي ، يكون اتجاه سرعات الإلكترونات والثقوب معاكسًا ، لكن التيار الكهربائي الناتج عنهما له نفس الاتجاه - اتجاه المجال الكهربائي. وبالتالي ، فإن كثافة التيار عند التوصيل الجوهري لأشباه الموصلات هي مجموع الكثافة الحالية للإلكترونات y e والثقوب y d:

الموصلية الكهربائية o تتناسب مع عدد الموجات الحاملة ، مما يعني أنه يمكن إثبات ذلك بالنسبة لأشباه الموصلات الجوهرية

ويعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة. تختلف مساهمة الإلكترونات والثقوب في o ، وهو ما يفسره الاختلاف في كتلها الفعالة.

في درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا ، يسود التوصيل الجوهري في جميع أشباه الموصلات. خلاف ذلك ، يتم تحديد الخواص الكهربائية لأشباه الموصلات بواسطة الشوائب (ذرات العناصر الأخرى) ، ثم يتحدثون عنها الموصلية النجاسة.سوف تتكون الموصلية الكهربائية من موصلات جوهرية وشوائب.

أشباه الموصلات النجاسةتسمى أشباه الموصلات ، والذرات الفردية التي يتم استبدالها بالشوائب. يختلف تركيز الإلكترونات والثقوب فيها اختلافًا كبيرًا. تسمى الشوائب التي هي مصادر للإلكترونات المتبرعين.تسمى الشوائب التي تلتقط الإلكترونات من نطاق التكافؤ يقبلون.

نتيجة لإدخال شوائب في فجوة النطاق ، تنشأ مستويات طاقة إلكترونية إضافية مسموح بها ، تقع في فجوة النطاق بالقرب من أو أسفل نطاق التوصيل ( مستويات المانحين) ، أو إلى الجزء العلوي من شريط التكافؤ ( مستويات القبول).هذا يزيد بشكل كبير من التوصيل الكهربائي لأشباه الموصلات.

في أشباه الموصلات من النوع n (من الإنجليزية ، سلبية - سلبية) مع شوائب مانحة ، آلية التوصيل الإلكترونية.يتم توفير الموصلية فيها عن طريق إلكترونات الشوائب الزائدة ، والتي يكون تكافؤها أكبر من تكافؤ الذرات الرئيسية.

في أشباه الموصلات من النوع p (من الإنجليزية ، إيجابية - إيجابية) مع شوائب متقبل ، آلية ثقب التوصيل.يتم توفير الموصلية فيها عن طريق الثقوب بسبب إدخال شوائب يكون تكافؤها أقل بمقدار واحد من تكافؤ الذرات الرئيسية.

يتم تقديم دليل مقنع على حقيقة الثغرات الإيجابية تأثير القاعة(1879). يتكون هذا التأثير من حدوث معدن (أو شبه موصل) بكثافة تيار y موضوعة في مجال مغناطيسي في، مجال كهربائي إضافي في الاتجاه العمودي فيوعلى. يتيح استخدام تأثير Hall (قياس معامل Hall اعتمادًا على المادة) تحديد تركيز وحركة ناقلات الشحنة في الموصل ، وكذلك تحديد طبيعة موصلية أشباه الموصلات (الإلكترونية أو الفتحة) ).

حاليًا ، في تطوير مواد الإلكترونيات الدقيقة ، يتم إنشاء مواد أشباه موصلات مختلفة ، بما في ذلك تلك ذات فجوة الحزمة الواسعة. تعتبر الدوائر الدقيقة لأشباه الموصلات واحدة من المجالات الواعدة للإلكترونيات الدقيقة ، مما يسمح لك بإنشاء دوائر متكاملة موثوقة ومعقدة وظيفيًا.

تم إثبات الموصلية الإلكترونية للمعادن لأول مرة بشكل تجريبي من قبل الفيزيائي الألماني إي.ريكي في عام 1901. من خلال ثلاث أسطوانات مصقولة مضغوطة بإحكام ضد بعضها البعض - النحاس والألمنيوم والنحاس مرة أخرى - تم تمرير تيار كهربائي لفترة طويلة (خلال عام) . إجمالي الشحنة التي مرت خلال هذا الوقت كانت تساوي 3.5 · 10 6 C. نظرًا لأن كتل ذرات النحاس والألومنيوم تختلف اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض ، فإن كتل الأسطوانات يجب أن تتغير بشكل ملحوظ إذا كانت ناقلات الشحنة عبارة عن أيونات.

أظهرت نتائج التجارب أن كتلة كل من الأسطوانات ظلت دون تغيير. تم العثور على آثار ضئيلة فقط للاختراق المتبادل للمعادن في الأسطح الملامسة ، والتي لم تتجاوز نتائج الانتشار المعتاد للذرات في المواد الصلبة. وبالتالي ، فإن ناقلات الشحن المجاني في المعادن ليست أيونات ، ولكنها جزيئات متماثلة في كل من النحاس والألمنيوم. فقط الإلكترونات يمكن أن تكون مثل هذه الجسيمات.

تم الحصول على دليل مباشر ومقنع على صحة هذا الافتراض في التجارب التي تم إجراؤها عام 1913 بواسطة L.I Mandelstam و N.D Papaleksi وفي عام 1916 بواسطة T. Stuart و R.

يتم لف سلك على الملف ، يتم لحام طرفيه بقرصين معدنيين معزولين عن بعضهما البعض (الشكل 1). يتم توصيل الجلفانومتر بنهايات الأقراص باستخدام جهات اتصال منزلقة.

يتم إحضار الملف إلى الدوران السريع ، ثم يتم إيقافه فجأة. بعد التوقف الحاد للملف ، ستتحرك الجسيمات المشحونة المجانية على طول الموصل عن طريق القصور الذاتي لبعض الوقت ، وبالتالي سيظهر تيار كهربائي في الملف. سيظل التيار موجودًا لفترة قصيرة ، لأنه بسبب مقاومة الموصل ، تتباطأ الجسيمات المشحونة وتتوقف الحركة المنظمة للجسيمات.

يشير اتجاه التيار إلى أنه ناتج عن حركة الجسيمات سالبة الشحنة. الشحنة المنقولة في هذه الحالة تتناسب مع نسبة شحنة الجسيمات التي تولد التيار إلى كتلتها ، أي . لذلك ، من خلال قياس الشحنة التي تمر عبر الجلفانومتر طوال فترة وجود التيار في الدائرة ، كان من الممكن تحديد النسبة. اتضح أنها تساوي 1.8 · 10 11 درجة مئوية / كجم. تتطابق هذه القيمة مع نسبة شحنة الإلكترون إلى كتلته المكتشفة سابقًا من تجارب أخرى.

وبالتالي ، يتم إنشاء تيار كهربائي في المعادن من خلال حركة جسيمات الإلكترون سالبة الشحنة. وفقًا للنظرية الإلكترونية الكلاسيكية لموصلية المعادن (P. Drude ، 1900 ، H. Lorenz ، 1904) ، يمكن اعتبار الموصل المعدني بمثابة نظام فيزيائي لمجموعة من نظامين فرعيين:

1. الإلكترونات الحرة بتركيز ~ 10 28 م -3 و
2. أيونات موجبة الشحنة تهتز حول وضع التوازن.

يمكن تفسير ظهور الإلكترونات الحرة في البلورة على النحو التالي.

عندما تتحد الذرات في بلورة معدنية ، فإن الإلكترونات الخارجية الأكثر ارتباطًا بالنواة الذرية تنفصل عن الذرات (الشكل 2). لذلك ، توجد الأيونات الموجبة في عقد الشبكة البلورية للمعدن ، وتتحرك الإلكترونات غير المتصلة بنوى ذراتها في الفراغ بينهما. تسمى هذه الإلكترونات مجاناأو إلكترونات التوصيل. يؤدون حركة فوضوية ، تشبه حركة جزيئات الغاز. لذلك ، يطلق على مجموع الإلكترونات الحرة في المعادن غاز الإلكترون.

إذا تم تطبيق مجال كهربائي خارجي على الموصل ، فسيتم فرض حركة موجهة على الحركة العشوائية العشوائية للإلكترونات الحرة تحت تأثير قوى المجال الكهربائي ، الذي يولد تيارًا كهربائيًا. سرعة حركة الإلكترونات نفسها في الموصل هي بضعة كسور من المليمتر في الثانية ، ومع ذلك ، ينتشر المجال الكهربائي الناتج في الموصل بطول الموصل بأكمله بسرعة قريبة من سرعة الضوء في الفراغ ( 3 10 8 م / ث).

نظرًا لأن التيار الكهربائي في المعادن يتكون من الإلكترونات الحرة ، فإن موصلية الموصلات المعدنية تسمى الموصلية الإلكترونية.

تكتسب الإلكترونات الواقعة تحت تأثير قوة ثابتة تعمل من المجال الكهربائي سرعة معينة للحركة المنظمة (تسمى الانجراف). لا تزداد هذه السرعة بمرور الوقت ، لأنه عند الاصطدام بأيونات الشبكة البلورية ، تنقل الإلكترونات الطاقة الحركية المكتسبة في المجال الكهربائي إلى الشبكة البلورية. في التقريب الأول ، يمكننا أن نفترض أنه على طول المسار الحر المتوسط ​​(هذه هي المسافة التي يقطعها الإلكترون بين تصادمين متتاليين مع الأيونات) ، يتحرك الإلكترون مع التسارع وتزداد سرعة الانجراف خطيًا بمرور الوقت

في لحظة الاصطدام ، ينقل الإلكترون الطاقة الحركية إلى الشبكة البلورية. ثم تتسارع مرة أخرى ، وتتكرر العملية. نتيجة لذلك ، فإن متوسط ​​سرعة الحركة المطلوبة للإلكترونات يتناسب مع شدة المجال الكهربائي في الموصل ، وبالتالي فرق الجهد في نهايات الموصل ، حيث ، حيث l طول الموصل.

من المعروف أن القوة الحالية في الموصل تتناسب مع سرعة الحركة المنظمة للجسيمات

وبالتالي ، وفقًا للقوة السابقة ، تتناسب القوة الحالية مع فرق الجهد في نهايات الموصل: I ~ U. هذا هو التفسير النوعي لقانون أوم استنادًا إلى النظرية الإلكترونية الكلاسيكية لموصلية المعادن.

ومع ذلك ، هناك صعوبات في هذه النظرية. يتبع من النظرية أن المقاومة يجب أن تكون متناسبة مع الجذر التربيعي لدرجة الحرارة () ، وفي الوقت نفسه ، وفقًا للتجربة ، ~ T. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون السعة الحرارية للمعادن ، وفقًا لهذه النظرية ، أكبر بكثير من السعة الحرارية للبلورات أحادية الذرة. في الواقع ، تختلف السعة الحرارية للمعادن قليلاً عن السعة الحرارية للبلورات غير المعدنية. تم التغلب على هذه الصعوبات فقط في نظرية الكم.

في عام 1911 ، وجد الفيزيائي الهولندي جي كامرلينج أونز ، الذي درس التغير في المقاومة الكهربائية للزئبق عند درجات الحرارة المنخفضة ، أنه عند درجة حرارة حوالي 4 كلفن (أي عند -269 درجة مئوية) ، تنخفض المقاومة فجأة (الشكل. 3) ما يقرب من الصفر. تسمى ظاهرة تحول المقاومة الكهربائية إلى الصفر G. Kamerling-Onnes الموصلية الفائقة.

في وقت لاحق وجد أن أكثر من 25 عنصرًا كيميائيًا - تصبح المعادن عند درجات حرارة منخفضة جدًا موصلات فائقة. كل واحد منهم لديه درجة حرارة انتقالية حرجة خاصة به إلى حالة بدون مقاومة. أدنى قيمة للتنغستن هي 0.012 كيلو ، وأعلى قيمة للنيوبيوم هي 9 كيلو.

يتم ملاحظة الموصلية الفائقة ليس فقط في المعادن النقية ، ولكن أيضًا في العديد من المركبات والسبائك الكيميائية. في هذه الحالة ، قد لا تكون العناصر نفسها ، والتي تعد جزءًا من المركب فائق التوصيل ، موصلات فائقة. فمثلا، NiBi ، Au 2 Bi ، PdTe ، PtSbو اخرين.

المواد في حالة الموصلية الفائقة لها خصائص غير عادية:

1. يمكن أن يوجد التيار الكهربائي في الموصل الفائق لفترة طويلة بدون مصدر تيار ؛
2. داخل مادة في حالة فائقة التوصيل ، من المستحيل إنشاء مجال مغناطيسي:
3. يدمر المجال المغناطيسي حالة الموصلية الفائقة. الموصلية الفائقة هي ظاهرة يتم شرحها من وجهة نظر نظرية الكم. إن وصفه المعقد نوعًا ما يتجاوز نطاق دورة الفيزياء المدرسية.

حتى وقت قريب ، تم إعاقة الاستخدام الواسع النطاق للموصلية الفائقة بسبب الصعوبات المرتبطة بالحاجة إلى التبريد لدرجات حرارة منخفضة للغاية ، حيث تم استخدام الهيليوم السائل. ومع ذلك ، على الرغم من تعقيد المعدات ، وندرة الهيليوم وارتفاع تكلفته ، فمنذ الستينيات من القرن العشرين ، تم إنشاء مغناطيس فائق التوصيل دون خسائر حرارية في ملفاتها ، مما جعل من الممكن عمليًا الحصول على مجالات مغناطيسية قوية بكميات كبيرة نسبيًا. أحجام. هذه المغناطيسات بالتحديد هي المطلوبة لإنشاء مرافق للاندماج النووي الحراري المتحكم فيه مع حجز البلازما المغناطيسية ، من أجل مسرعات الجسيمات المشحونة القوية. تستخدم الموصلات الفائقة في أجهزة قياس مختلفة ، وبشكل أساسي في أجهزة لقياس المجالات المغناطيسية الضعيفة للغاية بأعلى دقة.

في الوقت الحاضر ، يتم إنفاق 10-15٪ من الطاقة للتغلب على مقاومة الأسلاك في خطوط الكهرباء. ستحقق خطوط التوصيل الفائقة ، أو على الأقل المدخلات للمدن الكبيرة ، مدخرات هائلة. مجال آخر لتطبيق الموصلية الفائقة هو النقل.

على أساس الأفلام فائقة التوصيل ، تم إنشاء عدد من العناصر المنطقية وعناصر الذاكرة عالية السرعة لأجهزة الحوسبة. في أبحاث الفضاء ، من الواعد استخدام ملفات لولبية فائقة التوصيل للحماية من الإشعاع لرواد الفضاء ، ورسو السفن ، وتباطؤ وتوجيهها ، ومحركات صواريخ البلازما.

حاليًا ، تم إنشاء مواد خزفية ذات موصلية فائقة عند درجة حرارة أعلى - أكثر من 100 كلفن ، أي عند درجة حرارة أعلى من نقطة غليان النيتروجين. القدرة على تبريد الموصلات الفائقة بالنيتروجين السائل ، والتي لها درجة حرارة أعلى من التبخر ، تبسط إلى حد كبير وتقلل من تكلفة جميع معدات التبريد ، وتعد بتأثير اقتصادي ضخم.

لم يفاجأ أحد اليوم بعد أن لمسنا مفتاح التبديل ، نرى مصباحًا كهربائيًا يضيء. في كثير من الأحيان لا نعتقد أن كل هذه الإجراءات تستند إلى سلسلة كاملة ، ومن هذه الظواهر المثيرة للفضول الشديد التوصيل الكهربائي للمعادن ، والذي يضمن تدفق التيار الكهربائي.

بادئ ذي بدء ، ربما ، يجب أن نقرر ما نتحدث عنه. لذلك تسمى الموصلية الكهربائية قدرة المادة على المرور ، وعلاوة على ذلك ، فإن المواد المختلفة لها هذه القدرة بدرجات متفاوتة. وفقًا لدرجة التوصيل الكهربائي ، يتم تقسيم المواد إلى موصلات وأشباه موصلات وعوازل كهربائية.

إذا نظرت إلى البيانات التجريبية التي حصل عليها الباحثون أثناء دراسة التيار الكهربائي ، يتضح أن موصلية المعادن هي الأعلى. يتم تأكيد ذلك أيضًا من خلال الممارسة اليومية ، عند استخدام الأسلاك المعدنية لنقل التيار الكهربائي. المعادن هي في المقام الأول موصلات للتيار الكهربائي. ويمكن العثور على تفسير ذلك في النظرية الإلكترونية للمعادن.

وفقًا لهذا الأخير ، فإن الموصل عبارة عن شبكة بلورية ، تشغل الذرات عقدها. وهي تقع بكثافة عالية وترتبط بالذرات المتشابهة المجاورة ، وبالتالي فهي تظل عمليا عند عقد الشبكة البلورية. ما لا يمكن قوله عن الإلكترونات الموجودة على الغلاف الخارجي للذرات. هذه الإلكترونات حرة في التحرك بشكل عشوائي ، وتشكل ما يسمى بـ "غاز الإلكترون". هنا الموصلية الإلكترونية للمعادن وتستند إلى هذه الإلكترونات.

كدليل على أن طبيعة التيار الكهربائي ترجع إلى الإلكترونات ، يمكننا أن نتذكر تجربة الفيزيائي الألماني ريكي ، التي أجريت عام 1901. أخذ أسطوانتين من النحاس والألمنيوم بنهايات مصقولة بعناية ، ووضع إحداهما فوق الأخرى ومرر تيارًا كهربائيًا من خلالها. وفقًا لفكرة المجرب ، إذا كانت الموصلية الكهربائية للمعادن ناتجة عن الذرات ، فسيكون هناك انتقال للمادة. ومع ذلك ، بعد مرور تيار كهربائي لمدة عام ، لم تتغير كتلة الأسطوانات.

من هذه النتيجة تبعت الاستنتاج بأن التوصيل الكهربائي للمعادن ناتج عن بعض الجسيمات المتأصلة في جميع الموصلات. كان الإلكترون ، الذي تم اكتشافه بالفعل في تلك اللحظة ، مناسبًا فقط لهذا الدور. بعد ذلك ، تم إجراء العديد من التجارب البارعة ، وأكدت جميعها أن التيار الكهربائي ناتج عن حركة الإلكترونات.

وفقًا للأفكار الحديثة حول المعادن ، توجد الأيونات في عقدها ، وتتحرك الإلكترونات بينها بحرية نسبيًا. إن عددًا كبيرًا من هذه الإلكترونات هو الذي يضمن التوصيل الكهربائي العالي للمعادن. إذا كان هناك كمية صغيرة في نهايات الموصل ، فإن هذه الإلكترونات الحرة تبدأ في التحرك ، مما يؤدي إلى تدفق التيار الكهربائي.

وتجدر الإشارة هنا إلى أن الموصلية تعتمد بشدة على درجة الحرارة. لذلك ، مع زيادة درجة الحرارة ، تنخفض موصلية المعادن ، والعكس صحيح ، تزداد مع انخفاض درجة الحرارة ، وصولاً إلى B. وفي نفس الوقت ، يجب أن نتذكر أنه على الرغم من أن جميع المعادن لها موصلية ، فإن قيمتها تختلف بالنسبة لكل منها . يتمتع النحاس بأفضل موصلية من المعادن الأكثر استخدامًا واستخدامًا في الهندسة الكهربائية.

لذلك ، تعطي المادة المعينة مفهوم التوصيل الكهربائي للمعادن ، وتشرح طبيعة التيار الكهربائي وتشرح سبب ذلك. تم إعطاء وصف للشبكة البلورية للمعادن وتأثير بعض العوامل الخارجية على التوصيل.

الموصلية الكهربائية للمعادن هي قدرة العناصر والأجسام على توصيل كمية معينة من الجسيمات سالبة الشحنة من خلال نفسها. يتم شرح توصيل التيار الكهربائي بكل بساطة - كنتيجة لتأثير المجال الكهرومغناطيسي على معدن موصل ، يسرع الإلكترون حركته لدرجة أنه يفقد اتصاله بالذرة.

في النظام الدولي للوحدات ، يتم تمثيل الموصلية الكهربائية بالحرف S ويتم قياسها بالسيمنز.

اعتمادًا على نوع وطبيعة ناقلات الشحن ، تكون الموصلية إلكترونية وأيونية وثقبية. المعادن لها الموصلية الإلكترونية. توجد مثل هذه الموصلية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، حيث تكون كثافة المادة منخفضة ، ونتيجة لذلك يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية دون أن تتحد مع الأيونات الموجبة الشحنة. للإلكترونات السائلة موصلية أيونية. الأيونات ، وهي حاملات شحنة ، تحرك المادة عند الحركة ، ونتيجة لذلك يتم إطلاقها على الأقطاب الكهربائية. آلية التوصيل ممكنة بسبب كسر رابطة التكافؤ ، مما يؤدي إلى ظهور شاغر مع رابطة غائبة . يسمى هذا المكان "الفارغ" مع إلكترونات الرابطة المفقودة بالثقب. يخلق ظهور ثقب في بلورة موصل فرصة إضافية لنقل الشحنة. تسمى هذه العملية ، المصحوبة بحركة الإلكترونات ، بالتوصيل الثقب.

الموصلية الكهربائية للمعادن. أنواع التوصيل الكهربائي. مستوى فيرمي.

أنواع التوصيل الكهربائي

اعتمادًا على نوع وطبيعة ناقلات الشحن ، تكون الموصلية إلكترونية وأيونية وثقبية.

المعادن لها الموصلية الإلكترونية.

المواد السائلة لها الموصلية الأيونية. الأيونات ، وهي حاملات شحنة ، تحرك المادة أثناء الحركة ، ونتيجة لذلك يتم إطلاقها على الأقطاب الكهربائية.

آلية التوصيل ممكنة ، بسبب كسر رابطة التكافؤ ، مما يؤدي إلى ظهور موقع شاغر برابطة غائبة. يسمى هذا المكان "الفارغ" مع إلكترونات الرابطة المفقودة بالثقب. يخلق ظهور ثقب في بلورة موصل فرصة إضافية لنقل الشحنة. تسمى هذه العملية ، المصحوبة بحركة الإلكترونات ، بالتوصيل الثقب.

يمكن أن تعمل المواد الصلبة والسوائل والغازات ، في ظل الظروف المناسبة ، كموصلات للتيار الكهربائي.

تشمل الموصلات الصلبة المعادن والسبائك المعدنية وبعض تعديلات الكربون.

المعادن هي مواد بلاستيكية لها بريق مميز ، وهي موصلات جيدة للتيار الكهربائي والحرارة. من بين مواد التكنولوجيا الإلكترونية ، تحتل المعادن أحد أهم الأماكن.

تشمل الموصلات السائلة المعادن المنصهرة والإلكتروليتات المختلفة. كقاعدة عامة ، تكون درجة انصهار المعدن عالية ، باستثناء الزئبق (Hg) ، الذي تبلغ درجة حرارته -39 درجة مئوية. لذلك ، عند درجة الحرارة العادية ، يمكن استخدام الزئبق فقط كموصل فلز سائل. الغاليوم (Ga) لديه أيضًا درجة حرارة قريبة من المعدل الطبيعي (29.8 درجة مئوية). المعادن الأخرى موصلات سائلة فقط في درجات حرارة مرتفعة أو عالية.

ترجع آلية مرور التيار عبر المعادن في الحالات الصلبة والسائلة إلى حركة الإلكترونات الحرة. لذلك ، يطلق عليهم الموصلات ذات الموصلية الكهربائية الإلكترونية أو الموصلات من النوع الأول.

الإلكتروليتات ، أو الموصلات من النوع الثاني ، هي محاليل (مائية بشكل أساسي) من الأحماض والقلويات والأملاح ، بالإضافة إلى ذوبان المركبات الأيونية. يرتبط مرور التيارات عبر هذه الموصلات بنقل أجزاء من الجزيئات (الأيونات) مع الشحنات الكهربائية. نتيجة لذلك ، يتغير تكوين الإلكتروليت تدريجياً ، ويتم إطلاق منتجات التحليل الكهربائي على الأقطاب الكهربائية.

جميع الغازات والأبخرة ، بما في ذلك الأبخرة المعدنية ، لا تجري تيارًا عند شدة مجال كهربائي منخفضة. ومع ذلك ، إذا كانت شدة المجال أعلى من قيمة حرجة معينة ، مما يضمن بداية التأثير والتأين الضوئي ، فيمكن للغاز أن يصبح موصلًا له موصلية كهربائية إلكترونية وأيونية. الغاز المتأين بقوة مع عدد متساوٍ من الإلكترونات والأيونات الموجبة لكل وحدة حجم هو وسيط توصيل متوازن يسمى البلازما.

النظرية الإلكترونية الكلاسيكية للمعادن ، التي طورها درود ولورنتز ، مبنية على فكرة غاز إلكترون يتكون من إلكترونات حرة. تُعزى خصائص الغاز المثالي إلى غاز الإلكترون ، أي تخضع حركة الإلكترونات لقوانين الإحصاء الكلاسيكي

في حالة تطبيق جهد خارجي ، ستتلقى الإلكترونات بعض السرعة الإضافية للحركة الموجهة في اتجاه القوى المؤثرة للمجال ، بسبب ظهور تيار كهربائي.

في عملية الحركة الموجهة ، تصطدم الإلكترونات بذرات المواقع الشبكية. في هذه الحالة ، تتباطأ سرعة الحركة ، ثم تتسارع تحت تأثير المجال الكهربائي:

إن وجود الإلكترونات الحرة مسؤول أيضًا عن التوصيل الحراري العالي للمعادن. كونها في حركة مستمرة ، تتصادم الإلكترونات باستمرار مع الأيونات وتتبادل الطاقة معها. لذلك ، فإن اهتزازات الأيونات ، التي تكثفت في جزء معين من المعدن بسبب التسخين ، تنتقل على الفور إلى الأيونات المجاورة ، منها إلى التالي ، وما إلى ذلك ، وتتلاشى الحالة الحرارية للمعدن بسرعة ؛ تأخذ كتلة المعدن بأكملها نفس درجة الحرارة.

يمكن تعريف الموصلية الحرارية على أنها خاصية مادة لإجراء (نقل) تدفق حراري تحت تأثير اختلاف في درجة الحرارة لا يتغير بمرور الوقت.

طاقة فيرمي هـ و- القيمة القصوى للطاقة التي يمكن أن يمتلكها الإلكترون عند درجة حرارة الصفر المطلق. تتطابق طاقة فيرمي مع قيم الإمكانات الكيميائية لغاز الفرميون عند تي \ u003d 0 ك، أي أن مستوى فيرمي للإلكترونات يلعب دور مستوى الجهد الكيميائي للجسيمات غير المشحونة. إمكاناته المقابلة j F = E F / eيسمى الجهد الكهروكيميائي.

وبالتالي ، فإن مستوى فيرمي أو طاقة فيرمي في المعادن هي الطاقة التي يمكن أن يمتلكها الإلكترون عند درجة حرارة الصفر المطلق. عندما يتم تسخين المعدن ، يتم إثارة بعض الإلكترونات القريبة من مستوى فيرمي (بسبب الطاقة الحرارية ، والتي تكون قيمتها في حدود كيلو ت). ولكن عند أي درجة حرارة ، لمستوى طاقة مقابلة لمستوى فيرمي ، فإن احتمال الملء هو 1/2. كل المستويات تحت مستوى فيرمي لديها احتمالية أكبر من 1/2 تمتلئ بالإلكترونات ، وجميع المستويات فوق مستوى فيرمي أكثر احتمالا من 1/2 خالية من الإلكترونات.

إن وجود طاقة فيرمي هو نتيجة لمبدأ باولي. تعتمد قيمة طاقة فيرمي بشكل أساسي على خصائص النظام.