Ηλεκτρική αγωγιμότητα διαφόρων ουσιών. Ηλεκτρονική αγωγιμότητα μετάλλων

ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΚΑΙ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

Ηλεκτρική αγωγιμότητα μετάλλων

Ο αντίστοιχος κβαντομηχανικός υπολογισμός δείχνει ότι στην περίπτωση ενός ιδανικού κρυσταλλικού πλέγματος, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας δεν θα αντιμετώπιζαν καμία αντίσταση κατά την κίνησή τους και η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων θα ήταν απείρως μεγάλη. Ωστόσο, το κρυσταλλικό πλέγμα δεν είναι ποτέ τέλειο. Οι παραβιάσεις της αυστηρής περιοδικότητας του πλέγματος οφείλονται στην παρουσία ακαθαρσιών ή κενών κενών (δηλαδή, στην απουσία ατόμων στην τοποθεσία), καθώς και σε θερμικές δονήσεις στο πλέγμα. Η σκέδαση ηλεκτρονίων από άτομα ακαθαρσίας και από φωτόνια οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικής αντίστασης στα μέταλλα. Όσο πιο καθαρό είναι το μέταλλο και όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερη είναι αυτή η αντίσταση.

Η ηλεκτρική ειδική αντίσταση των μετάλλων μπορεί να αναπαρασταθεί ως

όπου  μέτρηση - αντίσταση λόγω θερμικών κραδασμών του πλέγματος,  περίπουείναι η αντίσταση που οφείλεται στη σκέδαση ηλεκτρονίων από άτομα ακαθαρσίας. όρος  col μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας και εξαφανίζεται σε T = 0K. όρος  περίπουσε χαμηλή συγκέντρωση προσμίξεων δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία και σχηματίζει το λεγόμενο υπολειμματική αντίστασημέταλλο (δηλαδή η αντίσταση που έχει ένα μέταλλο στους 0Κ).

Έστω μια μονάδα όγκου μετάλλου nελεύθερα ηλεκτρόνια. Ας ονομάσουμε τη μέση ταχύτητα αυτών των ηλεκτρονίων ταχύτητα μετατόπισης . Εξ ορισμού

Ελλείψει εξωτερικού πεδίου, η ταχύτητα μετατόπισης είναι μηδέν και δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα στο μέταλλο. Όταν ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται στο μέταλλο, η ταχύτητα μετατόπισης γίνεται διαφορετική από το μηδέν - ένα ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει στο μέταλλο. Σύμφωνα με τον νόμο ΌχμαΗ ταχύτητα μετατόπισης είναι πεπερασμένη και ανάλογη της δύναμης
.

Είναι γνωστό από τη μηχανική ότι η ταχύτητα της σταθερής κίνησης είναι ανάλογη με την εξωτερική δύναμη που ασκείται στο σώμα φάόταν εκτός από τη δύναμη - φά, η δύναμη αντίστασης του μέσου δρα στο σώμα, η οποία είναι ανάλογη με την ταχύτητα του σώματος (ένα παράδειγμα είναι η πτώση μιας μικρής μπάλας σε ένα παχύρρευστο μέσο). Εξ ου και συμπεραίνουμε ότι εκτός από τη δύναμη
, η δύναμη «τριβής» δρα στα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας στο μέταλλο, η μέση τιμή των οποίων είναι ίση με

(r- συντελεστής αναλογικότητας).

Η εξίσωση κίνησης για το «μέσο» ηλεκτρόνιο έχει τη μορφή

όπου Μ * είναι η αποτελεσματική μάζα του ηλεκτρονίου. Αυτή η εξίσωση σας επιτρέπει να βρείτε τη σταθερή τιμή .

Εάν, μετά την καθιέρωση μιας στατικής κατάστασης, το εξωτερικό πεδίο απενεργοποιηθεί , η ταχύτητα μετατόπισης αρχίζει να μειώνεται και, όταν φτάσει στην κατάσταση ισορροπίας μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πλέγματος, εξαφανίζεται. Ας βρούμε τον νόμο της μείωσης της ταχύτητας μετατόπισης μετά την απενεργοποίηση του εξωτερικού πεδίου. Βάζοντας μέσα
, παίρνουμε την εξίσωση

Είμαστε εξοικειωμένοι με αυτόν τον τύπο εξίσωσης. Η λύση του μοιάζει

όπου
- την τιμή της ταχύτητας μετατόπισης τη στιγμή που το πεδίο είναι απενεργοποιημένο.

Από αυτό προκύπτει ότι κατά τη διάρκεια του χρόνου

η τιμή της ταχύτητας μετατόπισης μειώνεται σε μιμια φορά. Έτσι, η τιμή είναι ο χρόνος χαλάρωσης που χαρακτηρίζει τη διαδικασία δημιουργίας ισορροπίας μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πλέγματος, που διαταράσσεται από τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου .

Ο τύπος που δίνεται μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Η σταθερή τιμή της ταχύτητας μετατόπισης μπορεί να βρεθεί εξισώνοντας με το μηδέν το άθροισμα της δύναμης
και δύναμη τριβής:

Λαμβάνουμε τη σταθερή τιμή της πυκνότητας ρεύματος πολλαπλασιάζοντας αυτήν την τιμή στο φορτίο ενός ηλεκτρονίου μικαι την πυκνότητα ηλεκτρονίων n:

Συντελεστής αναλογικότητας μεταξύ
είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα  . Με αυτόν τον τρόπο,

Η κλασική έκφραση για την ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων έχει τη μορφή

όπου   είναι η μέση ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων, Μ είναι η συνηθισμένη (μη αποτελεσματική) μάζα του ηλεκτρονίου.

Από μια σύγκριση τύπων και προκύπτει ότι ο χρόνος χαλάρωσης συμπίπτει κατά σειρά μεγέθους με τη μέση ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο.

Με βάση τις φυσικές εκτιμήσεις, είναι δυνατό να εκτιμηθούν οι ποσότητες που περιλαμβάνονται στην έκφραση και έτσι να υπολογιστεί, κατά σειρά μεγέθους, η αγωγιμότητα  . Οι τιμές που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο είναι σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Επίσης, σε συμφωνία με την εμπειρία, αποδεικνύεται ότι  ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία σύμφωνα με το νόμο 1/ Τ. Θυμηθείτε ότι η κλασική θεωρία το δίνει αυτό  Αντιστρόφως ανάλογη
.

Σημειώνουμε ότι οι υπολογισμοί που οδήγησαν στον τύπο είναι εξίσου κατάλληλοι τόσο για την κλασική ερμηνεία της κίνησης των ηλεκτρονίων αγωγής σε ένα μέταλλο όσο και για την κβαντομηχανική ερμηνεία. Η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο ερμηνειών είναι η εξής. Στην κλασική θεώρηση, θεωρείται ότι όλα τα ηλεκτρόνια διαταράσσονται από ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, σύμφωνα με το οποίο κάθε όρος στον τύπο λαμβάνει μια προσθήκη στην κατεύθυνση

απεναντι απο . Στην κβαντομηχανική ερμηνεία, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι μόνο τα ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν καταστάσεις κοντά στο επίπεδο Fermi διαταράσσονται από το πεδίο και αλλάζουν την ταχύτητά τους. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε βαθύτερα επίπεδα δεν διαταράσσονται από το πεδίο και η συνεισφορά τους στο άθροισμα δεν αλλάζει. Επιπλέον, στην κλασική ερμηνεία, ο παρονομαστής του τύπου πρέπει να είναι η συνήθης μάζα του ηλεκτρονίου Μ, στην κβαντομηχανική ερμηνεία, αντί για τη συνήθη μάζα, θα πρέπει να ληφθεί η ενεργός μάζα του ηλεκτρονίου Μ * . Αυτή η περίσταση αποτελεί εκδήλωση του γενικού κανόνα, σύμφωνα με τον οποίο οι σχέσεις που λαμβάνονται κατά την προσέγγιση των ελεύθερων ηλεκτρονίων αποδεικνύονται έγκυρες για ηλεκτρόνια που κινούνται στο περιοδικό πεδίο του πλέγματος, εάν αντικαταστήσουμε την πραγματική μάζα του ηλεκτρονίου σε αυτά Μαποτελεσματική μάζα Μ * .

Υπεραγωγιμότητα

Σε μια θερμοκρασία της τάξης πολλών kelvin, η ηλεκτρική αντίσταση ενός αριθμού μετάλλων και κραμάτων μετατρέπεται απότομα σε μηδενική ουσία, μετατρέπεται σε υπεραγώγιμη κατάσταση. Η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτή η μετάβαση ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασίακαι συμβολίζεται Τκ . Υψηλότερη παρατηρούμενη τιμή ΤΤο k είναι  20 K.

Πειραματικά, η υπεραγωγιμότητα μπορεί να παρατηρηθεί με δύο τρόπους:

1) συμπεριλαμβάνοντας έναν υπεραγωγό σύνδεσμο στο κοινό ηλεκτρικό κύκλωμα. Τη στιγμή της μετάβασης στην υπεραγώγιμη κατάσταση, η διαφορά δυναμικού στα άκρα αυτού του συνδέσμου εξαφανίζεται.

2) τοποθετώντας έναν υπεραγωγικό δακτύλιο σε ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο σε αυτόν. Αφού κρυώσετε τον δακτύλιο από κάτω, απενεργοποιήστε το πεδίο. Ως αποτέλεσμα, προκαλείται συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα στον δακτύλιο. Το ρεύμα σε έναν τέτοιο δακτύλιο κυκλοφορεί απεριόριστα.

Ο Ολλανδός επιστήμονας G. Kamerling-Onnes, ο οποίος ανακάλυψε το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας, το απέδειξε μεταφέροντας έναν υπεραγώγιμο δακτύλιο με ρεύμα που τον διαρρέει από το Leiden στο Cambridge. Σε μια σειρά πειραμάτων, η απουσία διάσπασης ρεύματος στον υπεραγώγιμο δακτύλιο παρατηρήθηκε για περίπου ένα χρόνο. Το 1959, ο Collins ανέφερε ότι δεν παρατήρησε καμία μείωση στο ρεύμα για δυόμισι χρόνια.

Εκτός από την απουσία ηλεκτρικής αντίστασης, η υπεραγώγιμη κατάσταση χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι το μαγνητικό πεδίο δεν διεισδύει στο μεγαλύτερο μέρος του υπεραγωγού. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται Εφέ Meissner. Εάν ένα υπεραγώγιμο δείγμα ψύχεται τοποθετώντας το σε μαγνητικό πεδίο, τη στιγμή της μετάβασης στην υπεραγώγιμη κατάσταση, το πεδίο ωθείται έξω από το δείγμα και η μαγνητική επαγωγή στο δείγμα εξαφανίζεται. Τυπικά, μπορούμε να πούμε ότι ένας υπεραγωγός έχει μηδενική μαγνητική διαπερατότητα (  = 0). Ουσίες με  < 1 ονομάζονται διαμαγνήτες. Έτσι, ένας υπεραγωγός είναι ένας ιδανικός διαμαγνήτης.

Ένα αρκετά ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο καταστρέφει την υπεραγώγιμη κατάσταση. Η τιμή της μαγνητικής επαγωγής στην οποία συμβαίνει αυτό ονομάζεται κρίσιμο πεδίοκαι συμβολίζεται σικ . Εννοια σιΤο k εξαρτάται από τη θερμοκρασία του δείγματος. Σε κρίσιμη θερμοκρασία σι k = 0, με φθίνουσα τιμή θερμοκρασίας σι k αυξάνεται τείνει να - την τιμή του κρίσιμου πεδίου σε μηδενική θερμοκρασία. Μια κατά προσέγγιση άποψη αυτής της εξάρτησης φαίνεται στο Σχήμα 1

Αν ενισχύσουμε το ρεύμα που διαρρέει τον υπεραγωγό που περιλαμβάνεται στο κοινό κύκλωμα, τότε στην τιμή της ισχύος του ρεύματος Εγώ k η υπεραγώγιμη κατάσταση καταστρέφεται. Αυτή η τιμή του ρεύματος ονομάζεται κρίσιμο ρεύμα. Εννοια Εγώ k εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Η μορφή αυτής της εξάρτησης είναι παρόμοια με την εξάρτηση σικ από Τ(βλ. εικ. 1).

Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο στο οποίο τα κβαντομηχανικά φαινόμενα εντοπίζονται όχι σε μικροσκοπικές, αλλά σε μεγάλες, μακροσκοπικές κλίμακες. Η θεωρία της υπεραγωγιμότητας δημιουργήθηκε το 1957 από τους J. Bardeen, L. Cooper και J. Schrieffer. Ονομάζεται εν συντομία η θεωρία BCS. Αυτή η θεωρία είναι πολύ περίπλοκη. Ως εκ τούτου, αναγκαζόμαστε να περιοριστούμε στην παρουσίασή του σε επίπεδο δημοφιλών επιστημονικών βιβλίων, τα οποία, όπως φαίνεται, δεν θα μπορέσουν να ικανοποιήσουν πλήρως τον απαιτητικό αναγνώστη.

Το κλειδί για την υπεραγωγιμότητα βρίσκεται στο γεγονός ότι, εκτός από την άπωση Coulomb, τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο βιώνουν ένα ειδικό είδος αμοιβαίας έλξης, η οποία στην υπεραγώγιμη κατάσταση υπερισχύει της απώθησης. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας συνδυάζονται στα λεγόμενα ζευγαρια χάλκινων. Τα ηλεκτρόνια σε ένα τέτοιο ζεύγος έχουν αντίθετα κατευθυνόμενα σπιν. Επομένως, το σπιν του ζεύγους είναι μηδέν και είναι ένα μποζόνιο. Τα μποζόνια τείνουν να συσσωρεύονται στη βασική ενεργειακή κατάσταση, από την οποία είναι σχετικά δύσκολο να τα φέρεις σε διεγερμένη κατάσταση. Κατά συνέπεια, τα ζεύγη Cooper, έχοντας έρθει σε συντονισμένη κίνηση, παραμένουν σε αυτή την κατάσταση για απεριόριστα μεγάλο χρονικό διάστημα. Μια τέτοια συντονισμένη κίνηση ζευγών είναι το ρεύμα υπεραγωγιμότητας.

Ας εξηγήσουμε τι έχει ειπωθεί με περισσότερες λεπτομέρειες. Ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σε ένα μέταλλο παραμορφώνει (πολώνει) ένα κρυσταλλικό πλέγμα που αποτελείται από θετικά ιόντα. Ως αποτέλεσμα αυτής της παραμόρφωσης, το ηλεκτρόνιο περιβάλλεται από ένα «σύννεφο» θετικού φορτίου, το οποίο κινείται κατά μήκος του πλέγματος μαζί με το ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο και το νέφος που το περιβάλλει είναι ένα θετικά φορτισμένο σύστημα, στο οποίο θα έλκεται ένα άλλο ηλεκτρόνιο. Έτσι, το ιοντικό πλέγμα παίζει το ρόλο ενός ενδιάμεσου μέσου, η παρουσία του οποίου οδηγεί σε έλξη μεταξύ των ηλεκτρονίων.

Στην κβαντομηχανική γλώσσα, η έλξη μεταξύ των ηλεκτρονίων εξηγείται ως αποτέλεσμα της ανταλλαγής μεταξύ ηλεκτρονίων κβαντών διέγερσης πλέγματος - φωνονίων. Ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σε ένα μέταλλο παραβιάζει το καθεστώς των δονήσεων του πλέγματος - διεγείρει τα φωνόνια. Η ενέργεια διέγερσης μεταφέρεται σε άλλο ηλεκτρόνιο, το οποίο απορροφά το φωνόνιο. Ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας ανταλλαγής φωνονίων, προκύπτει μια πρόσθετη αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων, η οποία έχει τον χαρακτήρα έλξης. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αυτή η έλξη για ουσίες που είναι υπεραγωγοί υπερβαίνει την απώθηση Coulomb.

Η αλληλεπίδραση λόγω της ανταλλαγής φωνονίων είναι πιο έντονη για ηλεκτρόνια με αντίθετη ροπή και σπιν. Ως αποτέλεσμα, δύο τέτοια ηλεκτρόνια συνδυάζονται σε ένα ζεύγος Cooper. Αυτό το ζεύγος δεν πρέπει να θεωρηθεί ως δύο κολλημένα ηλεκτρόνια μεταξύ τους. Αντίθετα, η απόσταση μεταξύ των ηλεκτρονίων του ζεύγους είναι πολύ μεγάλη, είναι περίπου 10 -4 cm, δηλ. υπερβαίνει τις διατομικές αποστάσεις στον κρύσταλλο κατά τέσσερις τάξεις μεγέθους. Περίπου 10 6 ζεύγη Cooper επικαλύπτονται αισθητά. καταλαμβάνουν το συνολικό χώρο.

Δεν συνδυάζονται όλα τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε ζεύγη Cooper. Σε θερμοκρασία Τ, εκτός από το απόλυτο μηδέν, υπάρχει κάποια πιθανότητα να καταστραφεί το ζεύγος. Επομένως, μαζί με τα ζεύγη, υπάρχουν πάντα «κανονικά» ηλεκτρόνια που κινούνται μέσω του κρυστάλλου με τον συνήθη τρόπο. Όσο πιο κοντά Τ και Τκ , τόσο μεγαλύτερο γίνεται το κλάσμα των κανονικών ηλεκτρονίων, που μετατρέπεται σε 1 at Τ = Τκ . . Επομένως, σε θερμοκρασίες παραπάνω Τ k η υπεραγώγιμη κατάσταση είναι δυνατή.

Ο σχηματισμός ζευγών Cooper οδηγεί σε αναδιάταξη του ενεργειακού φάσματος του μετάλλου. Για να διεγείρουμε ένα ηλεκτρονικό σύστημα που βρίσκεται σε υπεραγώγιμη κατάσταση, είναι απαραίτητο να καταστραφεί τουλάχιστον ένα ζεύγος, το οποίο απαιτεί ενέργεια ίση με την ενέργεια δέσμευσης μιτον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα ζεύγος. Αυτή η ενέργεια είναι η ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει το σύστημα ηλεκτρονίων σε έναν υπεραγωγό. Κατά συνέπεια, στο ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων στην υπεραγώγιμη κατάσταση, υπάρχει ένα κενό πλάτους μι St, που βρίσκεται στην περιοχή του επιπέδου Fermi. Οι ενεργειακές τιμές που ανήκουν σε αυτό το κενό απαγορεύονται. Η ύπαρξη κενού έχει αποδειχθεί πειραματικά.

Έτσι, η διεγερμένη κατάσταση ενός ηλεκτρονικού συστήματος στην υπεραγώγιμη κατάσταση διαχωρίζεται από τη θεμελιώδη κατάσταση με ένα ενεργειακό κενό πλάτους μιΑγ. Επομένως, οι κβαντικές μεταβάσεις αυτού του συστήματος δεν θα είναι πάντα δυνατές. Σε χαμηλές ταχύτητες κίνησής του (που αντιστοιχούν σε ένταση ρεύματος μικρότερη από Εγώια) το ηλεκτρονικό του σύστημα θα διεγείρεται, και αυτό σημαίνει κίνηση χωρίς τριβές, δηλ. χωρίς ηλεκτρική αντίσταση.

Πλάτος ενεργειακού κενού μιΤο sv μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και εξαφανίζεται στην κρίσιμη θερμοκρασία Τκ . Αντίστοιχα, όλα τα ζεύγη Cooper καταστρέφονται και η ουσία περνά σε κανονική (μη υπεραγώγιμη) κατάσταση.

Από τη θεωρία της υπεραγωγιμότητας προκύπτει ότι η μαγνητική ροή Ф που σχετίζεται με τον υπεραγώγιμο δακτύλιο (ή κύλινδρο) μέσω του οποίου κυκλοφορεί το ρεύμα πρέπει να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του
, όπου q - χρέωση τρέχοντος φορέα

αξία

αντιπροσωπεύει κβαντικό ροής.

Η κβαντοποίηση της μαγνητικής ροής ανακαλύφθηκε πειραματικά το 1961 από τους Deaver και Fairbank και ανεξάρτητα από τους Doll και Nebauer. Στα πειράματα των Deaver και Fairbank το δείγμα ήταν μια ταινία κασσίτερου εναποτιθέμενη σε ένα χάλκινο σύρμα με διάμετρο περίπου 10 -3 εκ. Το σύρμα έπαιζε το ρόλο πλαισίου και δεν περνούσε στην υπεραγώγιμη κατάσταση. Οι μετρούμενες τιμές της μαγνητικής ροής σε αυτά τα πειράματα, καθώς και στα πειράματα των Doll και Nebauer, αποδείχθηκαν ακέραια πολλαπλάσια της τιμής στην οποία, όπως qπαίρνει το διπλάσιο φορτίο ενός ηλεκτρονίου q = - 2μι) . Αυτό χρησιμεύει ως πρόσθετη επιβεβαίωση της ορθότητας της θεωρίας BCS, σύμφωνα με την οποία οι φορείς ρεύματος σε έναν υπεραγωγό είναι ζεύγη Cooper, το φορτίο των οποίων είναι ίσο με το συνολικό φορτίο δύο ηλεκτρονίων, δηλ. - 2μι.

Ημιαγωγοί

Οι ημιαγωγοί είναι κρυσταλλικές ουσίες στις οποίες η ζώνη σθένους είναι πλήρως γεμάτη με ηλεκτρόνια και το χάσμα ζώνης είναι μικρό (για εγγενείς ημιαγωγούς, όχι περισσότερο από 1 eV). Οι ημιαγωγοί οφείλουν το όνομά τους στο γεγονός ότι από την άποψη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ μετάλλων και διηλεκτρικών. Ωστόσο, το χαρακτηριστικό τους δεν είναι το μέγεθος της αγωγιμότητας, αλλά το γεγονός ότι η αγωγιμότητά τους αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας (υπενθυμίζουμε ότι στα μέταλλα μειώνεται).

Διακρίνω το δικόκαι ακαθαρσίαημιαγωγών. Μεταξύ των εγγενών είναι οι χημικά καθαροί ημιαγωγοί. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των προσμίξεων ημιαγωγών καθορίζονται από τις τεχνητές ακαθαρσίες που υπάρχουν σε αυτούς.

Όταν εξετάζουμε τις ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών, η έννοια των "οπών" παίζει σημαντικό ρόλο. Ας σταθούμε στη διευκρίνιση της φυσικής σημασίας αυτής της έννοιας.

Σε έναν εγγενή ημιαγωγό στο απόλυτο μηδέν, όλα τα επίπεδα της ζώνης σθένους είναι πλήρως γεμάτα με ηλεκτρόνια και δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας (Εικ. 2α). Το ηλεκτρικό πεδίο δεν μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Επομένως, οι εγγενείς ημιαγωγοί συμπεριφέρονται στο απόλυτο μηδέν ως διηλεκτρικά. Σε θερμοκρασίες διαφορετικές από 0 K, μέρος των ηλεκτρονίων από τα ανώτερα επίπεδα της ζώνης σθένους περνούν ως αποτέλεσμα της θερμικής διέγερσης στα χαμηλότερα επίπεδα της ζώνης αγωγιμότητας (Εικ. 2β). Κάτω από αυτές τις συνθήκες, το ηλεκτρικό πεδίο είναι σε θέση να αλλάξει την κατάσταση των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας. Επιπλέον, λόγω του σχηματισμού κενών επιπέδων στη ζώνη σθένους, τα ηλεκτρόνια αυτής της ζώνης μπορούν επίσης να αλλάξουν την ταχύτητά τους υπό τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του ημιαγωγού γίνεται μη μηδενική.

Αποδεικνύεται ότι παρουσία κενών επιπέδων, η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στη ζώνη σθένους μπορεί να αναπαρασταθεί ως η κίνηση θετικά φορτισμένων οιονεί σωματιδίων, που ονομάζονται «οπές». Εφόσον η αγωγιμότητα μιας πλήρως γεμάτης ζώνης σθένους είναι ίση με μηδέν, προκύπτει ότι το άθροισμα των ταχυτήτων όλων των ηλεκτρονίων σε μια τέτοια ζώνη είναι ίσο με μηδέν

Ας εξαγάγουμε από αυτό το άθροισμα την ταχύτητα κτο ηλεκτρόνιο

Από αυτή τη σχέση προκύπτει ότι αν κτο ηλεκτρόνιο στη ζώνη σθένους απουσιάζει, τότε το άθροισμα των ταχυτήτων των υπολοίπων ηλεκτρονίων αποδεικνύεται ίσο με
. Επομένως, όλα αυτά τα ηλεκτρόνια θα δημιουργήσουν ένα ρεύμα ίσο με
. Έτσι, το ρεύμα που προκύπτει αποδεικνύεται ισοδύναμο με το ρεύμα που θα δημιουργούσε ένα σωματίδιο με φορτίο + μι, που έχει την ταχύτητα του ηλεκτρονίου που λείπει. Αυτό το φανταστικό σωματίδιο είναι μια τρύπα.

Η έννοια των οπών μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τον ακόλουθο τρόπο. Τα κενά επίπεδα σχηματίζονται στην κορυφή της ζώνης σθένους. Όπως φαίνεται, η ενεργός μάζα ενός ηλεκτρονίου στην κορυφή της ενεργειακής ζώνης είναι αρνητική. Η απουσία ενός σωματιδίου με αρνητικό φορτίο (- μι) και αρνητική μάζα Μ * ισοδυναμεί με την παρουσία ενός σωματιδίου με θετικό φορτίο (+ μι) και θετική μάζα | Μ * | εκείνοι. τρύπες.

Έτσι, όσον αφορά τις ηλεκτρικές της ιδιότητες, μια ζώνη σθένους με μικρό αριθμό κενών καταστάσεων είναι ισοδύναμη με μια κενή ζώνη που περιέχει ένα μικρό αριθμό θετικά φορτισμένων οιονεί σωματιδίων που ονομάζονται τρύπες.

Τονίζουμε ότι η κίνηση μιας οπής δεν είναι η μετατόπιση κάποιου πραγματικού θετικά φορτισμένου σωματιδίου. Η έννοια των οπών αντανακλά τη φύση της κίνησης ολόκληρου του συστήματος πολυηλεκτρονίων σε έναν ημιαγωγό.

Εγγενής αγωγιμότητα ημιαγωγών

Η εγγενής αγωγιμότητα προκύπτει από τη μετάβαση των ηλεκτρονίων από τα ανώτερα επίπεδα της ζώνης σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Ταυτόχρονα, ένας ορισμένος αριθμός φορέων ρεύματος εμφανίζεται στη ζώνη αγωγιμότητας - ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν επίπεδα κοντά στο κάτω μέρος της ζώνης, την ίδια στιγμή, ο ίδιος αριθμός θέσεων στα ανώτερα επίπεδα εκκενώνεται στη ζώνη σθένους, ως αποτέλεσμα της οποίας εμφανίζονται τρύπες

Η κατανομή των ηλεκτρονίων στα επίπεδα της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας περιγράφεται από τη συνάρτηση Fermi-Dirac. Αυτή η κατανομή μπορεί να γίνει πολύ σαφής απεικονίζοντας πώς γίνεται στο Σχ. γράφημα συνάρτησης κατανομής μαζί με το σχήμα των ενεργειακών ζωνών.

Ο αντίστοιχος υπολογισμός δείχνει ότι για τους εγγενείς ημιαγωγούς, η τιμή του επιπέδου Fermi που μετράται από την κορυφή της ζώνης σθένους είναι ίση με

όπου  μιείναι το χάσμα ζώνης, και Μ d*i Μ e* είναι οι ενεργές μάζες μιας οπής και ενός ηλεκτρονίου που βρίσκονται στη ζώνη αγωγιμότητας. Συνήθως ο δεύτερος όρος είναι αμελητέος και μπορούμε να υποθέσουμε
. Αυτό σημαίνει ότι η στάθμη Fermi βρίσκεται στη μέση του διακένου ζώνης. Κατά συνέπεια, για τα ηλεκτρόνια που έχουν περάσει στη ζώνη αγωγιμότητας, η τιμή μι - μι φάδιαφέρει ελάχιστα από το μισό διάκενο ζώνης. Τα επίπεδα της ζώνης αγωγιμότητας βρίσκονται στην ουρά της καμπύλης κατανομής. Επομένως, η πιθανότητα πλήρωσής τους με ηλεκτρόνια μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο (1.23) της προηγούμενης παραγράφου. Βάζοντας σε αυτόν τον τύπο
, το καταλαβαίνουμε

Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που έχουν περάσει στη ζώνη αγωγιμότητας, και επομένως ο αριθμός των οπών που σχηματίζονται, θα είναι ανάλογος της πιθανότητας. Αυτά τα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι φορείς ρεύματος. Δεδομένου ότι η αγωγιμότητα είναι ανάλογη με τον αριθμό των φορέων, πρέπει επίσης να είναι ανάλογη με την έκφραση. Κατά συνέπεια, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των εγγενών ημιαγωγών αυξάνεται γρήγορα με τη θερμοκρασία, αλλάζει σύμφωνα με το νόμο

όπου  μιείναι το χάσμα της ζώνης,  0 - μια τιμή που αλλάζει με τη θερμοκρασία πολύ πιο αργά από τον εκθέτη και επομένως μπορεί να θεωρηθεί σταθερή στην πρώτη προσέγγιση.

Αν σχεδιάσουμε την εξάρτηση ln  από Τ, τότε για τους εγγενείς ημιαγωγούς προκύπτει μια ευθεία γραμμή, που φαίνεται στο Σχ.4. Η κλίση αυτής της ευθείας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του κενού ζώνης  μι.

Τυπικοί ημιαγωγοί είναι τα στοιχεία της ομάδας IV του περιοδικού συστήματος Mendeleev - γερμάνιο και πυρίτιο. Σχηματίζουν ένα πλέγμα τύπου διαμαντιού στο οποίο κάθε άτομο συνδέεται με ομοιοπολικούς δεσμούς (ζεύγος ηλεκτρονίων) με τέσσερα γειτονικά άτομα σε ίση απόσταση από αυτό. Συμβατικά, μια τέτοια αμοιβαία διάταξη ατόμων μπορεί να αναπαρασταθεί ως μια επίπεδη δομή, που φαίνεται στο Σχ. 5. Κύκλοι με σημάδι δηλώνουν θετικά φορτισμένα ατομικά κατάλοιπα (δηλαδή εκείνο το τμήμα του ατόμου που παραμένει μετά την απομάκρυνση των ηλεκτρονίων σθένους), κύκλους με πρόσημο - ηλεκτρόνια σθένους, διπλές γραμμές - ομοιοπολικοί δεσμοί.

Σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία, η θερμική κίνηση μπορεί να διασπάσει μεμονωμένα ζεύγη, ελευθερώνοντας ένα ηλεκτρόνιο. Το μέρος που αφήνει το ηλεκτρόνιο παύει να είναι ουδέτερο, δημιουργείται περίσσεια θετικού φορτίου κοντά του , δηλ. σχηματίζεται μια τρύπα (στο Σχ. 5 φαίνεται με έναν διακεκομμένο κύκλο). Ένα ηλεκτρόνιο από ένα από τα γειτονικά ζεύγη μπορεί να μεταπηδήσει σε αυτό το μέρος. Ως αποτέλεσμα, η τρύπα αρχίζει να περιπλανιέται μέσα από τον κρύσταλλο καθώς και το ελευθερωμένο ηλεκτρόνιο.

Όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συναντά μια οπή, αυτοί ανασυνδυάζω(συνδέω-συωδεομαι). Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο εξουδετερώνει το πλεονάζον θετικό φορτίο που υπάρχει στην περιοχή της οπής και χάνει την ελευθερία κινήσεων μέχρι να λάβει ξανά ενέργεια από το κρυσταλλικό πλέγμα επαρκή για την απελευθέρωσή του. Ο ανασυνδυασμός οδηγεί στην ταυτόχρονη εξαφάνιση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου και μιας οπής. Στο διάγραμμα στάθμης, η διαδικασία ανασυνδυασμού αντιστοιχεί στη μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη αγωγιμότητας σε ένα από τα ελεύθερα επίπεδα της ζώνης σθένους.

Έτσι, δύο διεργασίες συνεχίζονται ταυτόχρονα σε έναν εγγενή ημιαγωγό: η γέννηση ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών κατά ζεύγη και ο ανασυνδυασμός, που οδηγεί στην κατά ζεύγη εξαφάνιση ηλεκτρονίων και οπών. Η πιθανότητα της πρώτης διαδικασίας αυξάνεται γρήγορα με τη θερμοκρασία. Η πιθανότητα ανασυνδυασμού είναι ανάλογη τόσο με τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων όσο και με τον αριθμό των οπών. Επομένως, κάθε θερμοκρασία αντιστοιχεί σε μια ορισμένη συγκέντρωση ισορροπίας ηλεκτρονίων και οπών, η οποία αλλάζει με τη θερμοκρασία ανάλογα με την έκφραση.

Όταν δεν υπάρχει εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας και οι οπές κινούνται τυχαία. Όταν το πεδίο είναι ενεργοποιημένο, μια διατεταγμένη κίνηση υπερτίθεται στη χαοτική κίνηση: ηλεκτρόνια ενάντια στο πεδίο και οπές - προς την κατεύθυνση του πεδίου. Και η κίνηση - και οι οπές και τα ηλεκτρόνια - οδηγούν στη μεταφορά φορτίου κατά μήκος του κρυστάλλου. Κατά συνέπεια, η εγγενής ηλεκτρική αγωγιμότητα προσδιορίζεται, σαν να λέγαμε, από φορείς φορτίου δύο σημείων - αρνητικών ηλεκτρονίων και θετικών οπών.

Σημειώστε ότι σε επαρκώς υψηλή θερμοκρασία παρατηρείται εγγενής αγωγιμότητα σε όλους ανεξαιρέτως τους ημιαγωγούς. Ωστόσο, σε ημιαγωγούς που περιέχουν μια ακαθαρσία, η ηλεκτρική αγωγιμότητα αποτελείται από εγγενείς και ακαθαρσίες.

Αγωγιμότητα προσμίξεων ημιαγωγών

Η αγωγιμότητα της ακαθαρσίας προκύπτει εάν ορισμένα άτομα ενός δεδομένου ημιαγωγού αντικατασταθούν στις θέσεις του κρυσταλλικού πλέγματος από άτομα των οποίων το σθένος διαφέρει κατά ένα από το σθένος των κύριων ατόμων. Το Σχήμα 6 δείχνει συμβατικά το πλέγμα γερμανίου με ένα μείγμα πεντασθενών ατόμων φωσφόρου. Ένα άτομο φωσφόρου χρειάζεται τέσσερα ηλεκτρόνια για να σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς με τους γείτονές του. Κατά συνέπεια, το πέμπτο ηλεκτρόνιο σθένους αποδεικνύεται, σαν να λέγαμε, περιττό και αποσπάται εύκολα από το άτομο λόγω της ενέργειας της θερμικής κίνησης, σχηματίζοντας ένα περιπλανώμενο ελεύθερο ηλεκτρόνιο.

Σε αντίθεση με την περίπτωση που εξετάστηκε στην προηγούμενη παράγραφο, ο σχηματισμός ελεύθερου ηλεκτρονίου δεν συνοδεύεται από διάσπαση ομοιοπολικών δεσμών, δηλ. σχηματισμός οπών. Αν και μια περίσσεια θετικού φορτίου δημιουργείται κοντά στο άτομο της ακαθαρσίας, είναι συνδεδεμένο με αυτό το άτομο και δεν μπορεί να κινηθεί κατά μήκος του πλέγματος.

Λόγω αυτού του φορτίου, το άτομο ακαθαρσίας μπορεί να συλλάβει ένα ηλεκτρόνιο που το πλησιάζει, αλλά ο δεσμός του δεσμευμένου ηλεκτρονίου με το άτομο θα είναι εύθραυστος και θα σπάσει εύκολα ξανά λόγω θερμικών δονήσεων του πλέγματος.

Έτσι, σε έναν ημιαγωγό με ακαθαρσία, το σθένος του οποίου είναι ένα μεγαλύτερο από το σθένος των κύριων ατόμων, υπάρχει μόνο ένας τύπος φορέων ρεύματος - τα ηλεκτρόνια. Κατά συνέπεια, ένας τέτοιος ημιαγωγός λέγεται ότι έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα ή είναι ημιαγωγός n- πληκτρολογήστε (από τη λέξη αρνητικός - αρνητικό). Τα άτομα ακαθαρσίας που παρέχουν ηλεκτρόνια αγωγιμότητας ονομάζονται δωρητές.

Ας εξετάσουμε τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας σε ένα μέταλλο σε κατάσταση μη ισορροπίας, όταν κινούνται υπό τη δράση εφαρμοζόμενων εξωτερικών πεδίων. Τέτοιες διαδικασίες ονομάζονται μεταγραφικά φαινόμενα.

Ως γνωστόν, ηλεκτρική αγωγιμότητα (ηλεκτρική αγωγιμότητα) o είναι η τιμή που συσχετίζει την πυκνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος και την ένταση στον τοπικό νόμο του Ohm: j - oE(βλ. τύπο (14.15) μέρος 1). Όλες οι ουσίες ανάλογα με τη φύση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: μέταλλα, ημιαγωγούς και διηλεκτρικά.

χαρακτηριστικό στοιχείο μέταλλαείναι η μεταλλική τους αγωγιμότητα - μείωση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας με την αύξηση της θερμοκρασίας (σε σταθερή συγκέντρωση των φορέων ρεύματος). Η φυσική αιτία της ηλεκτρικής αντίστασης στα μέταλλα είναι η σκέδαση των ηλεκτρονικών κυμάτων από ακαθαρσίες και ελαττώματα πλέγματος, καθώς και από φωνόνια.

Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό ημιαγωγώνείναι η ικανότητά τους να αλλάζουν τις ιδιότητές τους σε ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα υπό την επίδραση διαφόρων επιρροών: θερμοκρασία, ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, φωτισμός κ.λπ. Για παράδειγμα, η εγγενής αγωγιμότητα των καθαρών ημιαγωγών αυξάνεται εκθετικά όταν θερμαίνονται.

Στο Τ> 300 K, η ειδική αγωγιμότητα o των υλικών που σχετίζονται με ημιαγωγούς κυμαίνεται σε μεγάλο εύρος από 10 ~ 5 έως 10 6 (Ohm m) -1, ενώ για τα μέταλλα o είναι περισσότερο από 10 6 (Ohm m) -1.

Ουσίες με χαμηλή ειδική αγωγιμότητα, της τάξης 10~ 5 (ohm m) -1 ή λιγότερο, ανατρέξτε στο διηλεκτρικά.Η αγωγιμότητα εμφανίζεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.

Η κβαντική θεωρία οδηγεί στην ακόλουθη έκφραση για την ηλεκτρική αγωγιμότητα μέταλλα:

όπου Π- συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων. t είναι ο χρόνος χαλάρωσης. t* -αποτελεσματική μάζα ενός ηλεκτρονίου.

Ωρα χαλάρωσηςχαρακτηρίζει τη διαδικασία δημιουργίας ισορροπίας μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πλέγματος, που διαταράσσεται, για παράδειγμα, από την ξαφνική συμπερίληψη ενός εξωτερικού πεδίου ΜΙ.

Ο όρος "ελεύθερο ηλεκτρόνιο" σημαίνει ότι κανένα δυναμικό πεδία δεν ενεργεί στο ηλεκτρόνιο. Κίνηση ηλεκτρονίου αγωγιμότητας σε κρύσταλλο υπό την επίδραση εξωτερικής δύναμης φάκαι δυνάμεις από την πλευρά του κρυσταλλικού πλέγματος σε ορισμένες περιπτώσεις μπορούν να περιγραφούν ως η κίνηση ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου, το οποίο επηρεάζεται μόνο από τη δύναμη φά(δεύτερος νόμος του Νεύτωνα, βλέπε τύπο (3.5) μέρος 1), αλλά με αποτελεσματική μάζα t*,διαφορετικό από τη μάζα t eελεύθερο ηλεκτρόνιο.

Υπολογισμοί με χρήση της έκφρασης (30.18) δείχνουν ότι η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων περίπου ~ 1/Τ.Το πείραμα επιβεβαιώνει αυτό το συμπέρασμα της κβαντικής θεωρίας, ενώ σύμφωνα με την κλασική θεωρία

περίπου ~l/fr.

ΣΤΟ ημιαγωγώνη συγκέντρωση των κινητών φορέων είναι πολύ χαμηλότερη από τη συγκέντρωση των ατόμων και μπορεί να αλλάξει με αλλαγές στη θερμοκρασία, φωτισμό, ακτινοβολία με ροή σωματιδίων, έκθεση σε ηλεκτρικό πεδίο ή εισαγωγή σχετικά μικρής ποσότητας ακαθαρσιών. Οι φορείς φορτίου στους ημιαγωγούς στη ζώνη αγωγιμότητας είναι ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια αγωγιμότητας) και στη ζώνη σθένους - θετικά φορτισμένα οιονεί σωματίδια τρύπες.Όταν δεν υπάρχει ηλεκτρόνιο στη ζώνη σθένους για οποιονδήποτε λόγο, λέγεται ότι έχει σχηματιστεί μια οπή (μια κενή κατάσταση) σε αυτήν. Οι έννοιες των οπών και των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν το ηλεκτρονικό σύστημα ημιαγωγών, ημιμετάλλων και μετάλλων.

Στην κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας, οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών στους ημιαγωγούς εξαρτώνται τόσο από τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση των ηλεκτρικά ενεργών ακαθαρσιών, όσο και από το διάκενο ζώνης Α. ΜΙ.

Γίνεται διάκριση μεταξύ εγγενών και εξωγενών ημιαγωγών. Δικοί ημιαγωγοίείναι χημικά καθαροί ημιαγωγοί (π.χ. γερμάνιο Ge, σελήνιο Se). Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτά είναι ίσος με τον αριθμό των οπών. Αγώγιμοτέτοιοι ημιαγωγοί λέγονται το δικό.

Σε εγγενείς ημιαγωγούς στο Τ\u003d O K η ζώνη σθένους είναι πλήρως γεμάτη και η ζώνη αγωγιμότητας είναι ελεύθερη. Επομένως, όταν Τ=Σχετικά με το Κ και την απουσία εξωτερικής διέγερσης, οι εγγενείς ημιαγωγοί συμπεριφέρονται σαν διηλεκτρικά. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, λόγω θερμικής διέγερσης, τα ηλεκτρόνια από τα ανώτερα επίπεδα της ζώνης σθένους θα περάσουν στη ζώνη αγωγιμότητας. Ταυτόχρονα, καθίσταται δυνατό τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους να περάσουν στα εκκενωμένα ανώτερα επίπεδα. Τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και οι οπές στη ζώνη σθένους θα συμβάλλουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Η ενέργεια που απαιτείται για τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησηςδική της αγωγιμότητα.

Όταν ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται σε έναν κρύσταλλο, τα ηλεκτρόνια κινούνται ενάντια στο πεδίο και δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα. Σε ένα εξωτερικό πεδίο, όταν ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο σθένους μετακινείται σε ένα κενό μέρος, μια τρύπα «μετακινείται» στη θέση του. Ως αποτέλεσμα, η οπή, ακριβώς όπως το ηλεκτρόνιο που πέρασε στη ζώνη αγωγιμότητας, θα κινηθεί μέσα από τον κρύσταλλο, αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κίνηση των ηλεκτρονίων. Τυπικά, ένα σωματίδιο με θετικό φορτίο ίσο με την απόλυτη τιμή του φορτίου ηλεκτρονίου κινείται κατά μήκος του κρυστάλλου προς την κατεύθυνση του πεδίου. Για να ληφθεί υπόψη η δράση στα στοιχειώδη φορτία του εσωτερικού πεδίου του κρυστάλλου για τρύπες, εισάγεται η έννοια της ενεργού μάζας w*. Επομένως, κατά την επίλυση προβλημάτων, μπορούμε να υποθέσουμε ότι μια τρύπα με αποτελεσματική μάζα κινείται μόνο υπό τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου.

Σε ένα εξωτερικό πεδίο, η κατεύθυνση των ταχυτήτων των ηλεκτρονίων και των οπών είναι αντίθετη, αλλά το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται από αυτά έχει την ίδια κατεύθυνση - την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Έτσι, η πυκνότητα ρεύματος στην εγγενή αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού είναι το άθροισμα της πυκνότητας ρεύματος των ηλεκτρονίων y e και των οπών y d:

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα o είναι ανάλογη με τον αριθμό των φορέων, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να αποδειχθεί ότι για εγγενείς ημιαγωγούς

και εξαρτάται εκθετικά από τη θερμοκρασία. Η συμβολή των ηλεκτρονίων και των οπών στο o είναι διαφορετική, γεγονός που εξηγείται από τη διαφορά στις ενεργές μάζες τους.

Σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, η εγγενής αγωγιμότητα κυριαρχεί σε όλους τους ημιαγωγούς. Διαφορετικά, οι ηλεκτρικές ιδιότητες ενός ημιαγωγού καθορίζονται από ακαθαρσίες (άτομα άλλων στοιχείων) και στη συνέχεια μιλούν για αγωγιμότητα ακαθαρσιών.Η ηλεκτρική αγωγιμότητα θα αποτελείται από εγγενείς και ακαθαρσίες.

Ημιαγωγοί ακαθαρσίαςονομάζονται ημιαγωγοί, μεμονωμένα άτομα των οποίων αντικαθίστανται από ακαθαρσίες. Η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων και των οπών σε αυτά είναι σημαντικά διαφορετική. Οι προσμίξεις που είναι πηγές ηλεκτρονίων ονομάζονται δωρητές.Οι προσμίξεις που συλλαμβάνουν ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους ονομάζονται αποδέκτες.

Ως αποτέλεσμα της εισαγωγής μιας ακαθαρσίας στο διάκενο ζώνης, προκύπτουν πρόσθετα επιτρεπόμενα επίπεδα ηλεκτρονικής ενέργειας, που βρίσκονται στο διάκενο ζώνης κοντά ή στο κάτω μέρος της ζώνης αγωγιμότητας ( επίπεδα δωρητών), ή στην κορυφή της ζώνης σθένους ( επίπεδα αποδεκτών).Αυτό αυξάνει σημαντικά την ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών.

Σε ημιαγωγούς τύπου n (από τα αγγλικά, αρνητικό - αρνητικό) με ακαθαρσία δότη, ηλεκτρονικός μηχανισμός αγωγής.Η αγωγιμότητα σε αυτά παρέχεται από περίσσεια ηλεκτρονίων ακαθαρσίας, το σθένος των οποίων είναι ένα μεγαλύτερο από το σθένος των κύριων ατόμων.

Σε ημιαγωγούς τύπου p (από τα αγγλικά, θετικό - θετικό) με ακαθαρσία δέκτη, μηχανισμός αγωγιμότητας οπών.Η αγωγιμότητα σε αυτά παρέχεται από οπές λόγω της εισαγωγής μιας ακαθαρσίας της οποίας το σθένος είναι ένα μικρότερο από το σθένος των κύριων ατόμων.

Η πειστική απόδειξη της πραγματικότητας των θετικών τρυπών παρέχεται από εφέ αίθουσας(1879). Αυτό το φαινόμενο συνίσταται στην εμφάνιση σε ένα μέταλλο (ή ημιαγωγό) με πυκνότητα ρεύματος y τοποθετημένο σε μαγνητικό πεδίο ΣΤΟ, πρόσθετο ηλεκτρικό πεδίο στην κατεύθυνση κάθετη προς ΣΤΟκαι στο. Η χρήση του φαινομένου Hall (μέτρηση του συντελεστή Hall ανάλογα με την ουσία) καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης και της κινητικότητας των φορέων φορτίου σε έναν αγωγό, καθώς και τον προσδιορισμό της φύσης της αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού (ηλεκτρονικού ή οπής ).

Επί του παρόντος, στην ανάπτυξη υλικών για τη μικροηλεκτρονική, δημιουργούνται διάφορα υλικά ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων με μεγάλο διάκενο ζώνης. Τα μικροκυκλώματα ημιαγωγών θεωρούνται ένας από τους πολλά υποσχόμενους τομείς της μικροηλεκτρονικής, επιτρέποντάς σας να δημιουργήσετε αξιόπιστα και λειτουργικά πολύπλοκα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Η ηλεκτρονική αγωγιμότητα των μετάλλων αποδείχθηκε για πρώτη φορά πειραματικά από τον Γερμανό φυσικό E. Rikke το 1901. Μέσα από τρεις γυαλισμένους κυλίνδρους που πιέζονταν σφιχτά μεταξύ τους - χαλκό, αλουμίνιο και πάλι χαλκό - περνούσε ηλεκτρικό ρεύμα για μεγάλο χρονικό διάστημα (κατά τη διάρκεια ενός έτους) . Η συνολική φόρτιση που πέρασε σε αυτό το διάστημα ήταν ίση με 3,5·10 6 C. Δεδομένου ότι οι μάζες των ατόμων χαλκού και αλουμινίου διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους, οι μάζες των κυλίνδρων θα έπρεπε να αλλάξουν αισθητά εάν οι φορείς φορτίου ήταν ιόντα.

Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι η μάζα καθενός από τους κυλίνδρους παρέμεινε αμετάβλητη. Στις επιφάνειες επαφής βρέθηκαν μόνο ασήμαντα ίχνη αμοιβαίας διείσδυσης μετάλλων, τα οποία δεν ξεπερνούσαν τα αποτελέσματα της συνήθους διάχυσης των ατόμων στα στερεά. Κατά συνέπεια, οι φορείς ελεύθερου φορτίου στα μέταλλα δεν είναι ιόντα, αλλά σωματίδια που είναι ίδια τόσο στον χαλκό όσο και στο αλουμίνιο. Μόνο τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να είναι τέτοια σωματίδια.

Άμεση και πειστική απόδειξη της εγκυρότητας αυτής της υπόθεσης προέκυψε στα πειράματα που έγιναν το 1913 από τους L. I. Mandelstam και N. D. Papaleksi και το 1916 από τους T. Stuart και R. Tolman.

Πάνω στο πηνίο τυλίγεται ένα σύρμα, τα άκρα του οποίου συγκολλούνται σε δύο μεταλλικούς δίσκους απομονωμένους μεταξύ τους (Εικ. 1). Ένα γαλβανόμετρο προσαρτάται στα άκρα των δίσκων χρησιμοποιώντας συρόμενες επαφές.

Το πηνίο φέρεται σε γρήγορη περιστροφή και μετά σταματά απότομα. Μετά από μια απότομη διακοπή του πηνίου, ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια θα κινηθούν κατά μήκος του αγωγού με αδράνεια για κάποιο χρονικό διάστημα και, κατά συνέπεια, θα εμφανιστεί ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο. Το ρεύμα θα υπάρχει για μικρό χρονικό διάστημα, γιατί λόγω της αντίστασης του αγωγού, τα φορτισμένα σωματίδια επιβραδύνονται και η διατεταγμένη κίνηση των σωματιδίων σταματά.

Η κατεύθυνση του ρεύματος δείχνει ότι δημιουργείται από την κίνηση αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων. Το φορτίο που μεταφέρεται σε αυτή την περίπτωση είναι ανάλογο του λόγου του φορτίου των σωματιδίων που δημιουργούν το ρεύμα προς τη μάζα τους, δηλ. . Επομένως, μετρώντας το φορτίο που διέρχεται από το γαλβανόμετρο για όλο το χρόνο ύπαρξης του ρεύματος στο κύκλωμα, ήταν δυνατός ο προσδιορισμός της αναλογίας. Αποδείχθηκε ότι ήταν ίσο με 1,8·10 11 C/kg. Αυτή η τιμή συμπίπτει με την αναλογία του φορτίου του ηλεκτρονίου προς τη μάζα του που βρέθηκε νωρίτερα από άλλα πειράματα.

Έτσι, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στα μέταλλα από την κίνηση αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων ηλεκτρονίων. Σύμφωνα με την κλασική ηλεκτρονική θεωρία της αγωγιμότητας των μετάλλων (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), ένας μεταλλικός αγωγός μπορεί να θεωρηθεί ως ένα φυσικό σύστημα ενός συνδυασμού δύο υποσυστημάτων:

ελεύθερα ηλεκτρόνια με συγκέντρωση ~ 10 28 m -3 και
θετικά φορτισμένα ιόντα που δονούνται γύρω από τη θέση ισορροπίας.

Η εμφάνιση ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν κρύσταλλο μπορεί να εξηγηθεί ως εξής.

Όταν τα άτομα συνδυάζονται σε έναν μεταλλικό κρύσταλλο, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια που είναι πιο ασθενώς συνδεδεμένα με τον ατομικό πυρήνα αποσπώνται από τα άτομα (Εικ. 2). Επομένως, θετικά ιόντα βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος του μετάλλου και τα ηλεκτρόνια που δεν συνδέονται με τους πυρήνες των ατόμων τους κινούνται στο μεταξύ τους χώρο. Αυτά τα ηλεκτρόνια ονομάζονται Ελεύθεροςή ηλεκτρόνια αγωγιμότητας. Εκτελούν μια χαοτική κίνηση, παρόμοια με την κίνηση των μορίων αερίου. Επομένως, ονομάζεται το σύνολο των ελεύθερων ηλεκτρονίων στα μέταλλα αέριο ηλεκτρονίων.

Εάν εφαρμοστεί εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο στον αγωγό, τότε μια κατευθυνόμενη κίνηση υπερτίθεται στην τυχαία χαοτική κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων υπό τη δράση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Η ταχύτητα κίνησης των ίδιων των ηλεκτρονίων στον αγωγό είναι μερικά κλάσματα του χιλιοστού ανά δευτερόλεπτο, ωστόσο, το ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει στον αγωγό διαδίδεται σε όλο το μήκος του αγωγού με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός στο κενό ( 3 10 8 m / s).

Δεδομένου ότι το ηλεκτρικό ρεύμα στα μέταλλα σχηματίζεται από ελεύθερα ηλεκτρόνια, ονομάζεται αγωγιμότητα των μεταλλικών αγωγών ηλεκτρονική αγωγιμότητα.

Τα ηλεκτρόνια υπό την επίδραση μιας σταθερής δύναμης που ενεργεί από το ηλεκτρικό πεδίο αποκτούν μια ορισμένη ταχύτητα διατεταγμένης κίνησης (ονομάζεται ολίσθηση). Αυτή η ταχύτητα δεν αυξάνεται περαιτέρω με το χρόνο, καθώς όταν συγκρούονται με ιόντα του κρυσταλλικού πλέγματος, τα ηλεκτρόνια μεταφέρουν την κινητική ενέργεια που αποκτάται στο ηλεκτρικό πεδίο στο κρυσταλλικό πλέγμα. Στην πρώτη προσέγγιση, μπορούμε να υποθέσουμε ότι στη μέση ελεύθερη διαδρομή (αυτή είναι η απόσταση που διανύει ένα ηλεκτρόνιο μεταξύ δύο διαδοχικών συγκρούσεων με ιόντα), το ηλεκτρόνιο κινείται με επιτάχυνση και η ταχύτητα μετατόπισής του αυξάνεται γραμμικά με το χρόνο

Τη στιγμή της σύγκρουσης, το ηλεκτρόνιο μεταφέρει κινητική ενέργεια στο κρυσταλλικό πλέγμα. Στη συνέχεια επιταχύνεται ξανά και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Ως αποτέλεσμα, η μέση ταχύτητα της διατεταγμένης κίνησης των ηλεκτρονίων είναι ανάλογη με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στον αγωγό και, κατά συνέπεια, τη διαφορά δυναμικού στα άκρα του αγωγού, καθώς l είναι το μήκος του αγωγού.

Είναι γνωστό ότι η ένταση ρεύματος στον αγωγό είναι ανάλογη με την ταχύτητα της διατεταγμένης κίνησης των σωματιδίων

και επομένως, σύμφωνα με την προηγούμενη, η ένταση του ρεύματος είναι ανάλογη με τη διαφορά δυναμικού στα άκρα του αγωγού: I ~ U. Αυτή είναι η ποιοτική εξήγηση του νόμου του Ohm που βασίζεται στην κλασική ηλεκτρονική θεωρία της αγωγιμότητας των μετάλλων.

Ωστόσο, υπάρχουν δυσκολίες με αυτή τη θεωρία. Από τη θεωρία προέκυψε ότι η ειδική αντίσταση πρέπει να είναι ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της θερμοκρασίας (), εν τω μεταξύ, σύμφωνα με την εμπειρία, ~ T. Επιπλέον, η θερμοχωρητικότητα των μετάλλων, σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από την θερμοχωρητικότητα μονοατομικών κρυστάλλων. Στην πραγματικότητα, η θερμοχωρητικότητα των μετάλλων διαφέρει ελάχιστα από τη θερμοχωρητικότητα των μη μεταλλικών κρυστάλλων. Αυτές οι δυσκολίες ξεπεράστηκαν μόνο στην κβαντική θεωρία.

Το 1911, ο Ολλανδός φυσικός G. Kamerling-Onnes, μελετώντας την αλλαγή στην ηλεκτρική αντίσταση του υδραργύρου σε χαμηλές θερμοκρασίες, διαπίστωσε ότι σε θερμοκρασία περίπου 4 K (δηλαδή στους -269 ° C), η ειδική αντίσταση μειώνεται απότομα (Εικ. 3) σχεδόν στο μηδέν. Αυτό το φαινόμενο της στροφής της ηλεκτρικής αντίστασης στο μηδέν G. Kamerling-Onnes ονομάζεται υπεραγωγιμότητα.

Αργότερα διαπιστώθηκε ότι περισσότερα από 25 χημικά στοιχεία - μέταλλα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες γίνονται υπεραγωγοί. Κάθε ένα από αυτά έχει τη δική του κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης σε κατάσταση με μηδενική αντίσταση. Η χαμηλότερη τιμή του για το βολφράμιο είναι 0,012K, η υψηλότερη για το νιόβιο είναι 9K.

Η υπεραγωγιμότητα παρατηρείται όχι μόνο σε καθαρά μέταλλα, αλλά και σε πολλές χημικές ενώσεις και κράματα. Σε αυτή την περίπτωση, τα ίδια τα στοιχεία, που αποτελούν μέρος της υπεραγώγιμης ένωσης, μπορεί να μην είναι υπεραγωγοί. Για παράδειγμα, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSbκαι άλλοι.

Οι ουσίες στην υπεραγώγιμη κατάσταση έχουν ασυνήθιστες ιδιότητες:

Το ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν υπεραγωγό μπορεί να υπάρχει για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς πηγή ρεύματος.
μέσα σε μια ουσία σε υπεραγώγιμη κατάσταση, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί μαγνητικό πεδίο:
το μαγνητικό πεδίο καταστρέφει την κατάσταση της υπεραγωγιμότητας. Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο που εξηγείται από την άποψη της κβαντικής θεωρίας. Η μάλλον περίπλοκη περιγραφή του ξεφεύγει από το πεδίο ενός σχολικού μαθήματος φυσικής.

Μέχρι πρόσφατα, η ευρεία χρήση της υπεραγωγιμότητας παρεμποδιζόταν από τις δυσκολίες που συνδέονται με την ανάγκη ψύξης σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, για τις οποίες χρησιμοποιήθηκε υγρό ήλιο. Ωστόσο, παρά την πολυπλοκότητα του εξοπλισμού, τη σπανιότητα και το υψηλό κόστος του ηλίου, από τη δεκαετία του '60 του XX αιώνα, έχουν δημιουργηθεί υπεραγώγιμοι μαγνήτες χωρίς θερμικές απώλειες στις περιελίξεις τους, γεγονός που κατέστησε πρακτικά δυνατή την απόκτηση ισχυρών μαγνητικών πεδίων σε σχετικά μεγάλα τόμους. Αυτοί ακριβώς οι μαγνήτες απαιτούνται για τη δημιουργία εγκαταστάσεων για ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη με περιορισμό μαγνητικού πλάσματος, για ισχυρούς επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων. Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται σε διάφορες συσκευές μέτρησης, κυρίως σε συσκευές για τη μέτρηση πολύ αδύναμων μαγνητικών πεδίων με την υψηλότερη ακρίβεια.

Προς το παρόν, το 10 - 15% της ενέργειας δαπανάται για την υπέρβαση της αντίστασης των καλωδίων στα καλώδια ρεύματος. Οι υπεραγώγιμες γραμμές, ή τουλάχιστον οι εισροές σε μεγάλες πόλεις, θα αποφέρουν τεράστια εξοικονόμηση πόρων. Ένα άλλο πεδίο εφαρμογής της υπεραγωγιμότητας είναι οι μεταφορές.

Με βάση υπεραγώγιμα φιλμ, έχει δημιουργηθεί ένας αριθμός λογικών στοιχείων και στοιχείων μνήμης υψηλής ταχύτητας για υπολογιστικές συσκευές. Στη διαστημική έρευνα, είναι πολλά υποσχόμενη η χρήση υπεραγώγιμων σωληνοειδών για την ακτινοπροστασία των αστροναυτών, την ελλιμενισμό πλοίων, την επιβράδυνση και τον προσανατολισμό τους και για κινητήρες πυραύλων πλάσματος.

Επί του παρόντος, έχουν δημιουργηθεί κεραμικά υλικά που έχουν υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερη θερμοκρασία - πάνω από 100K, δηλαδή σε θερμοκρασία πάνω από το σημείο βρασμού του αζώτου. Η ικανότητα ψύξης υπεραγωγών με υγρό άζωτο, το οποίο έχει τάξη μεγέθους υψηλότερη θερμότητα εξάτμισης, απλοποιεί σημαντικά και μειώνει το κόστος όλου του κρυογονικού εξοπλισμού και υπόσχεται τεράστιο οικονομικό αποτέλεσμα.

Κανείς σήμερα δεν εκπλήσσεται που, έχοντας αγγίξει το κλειδί του διακόπτη, βλέπουμε μια λάμπα να ανάβει. Συχνά δεν πιστεύουμε καν ότι όλες αυτές οι ενέργειες βασίζονται σε μια ολόκληρη σειρά.Ένα από τα εξαιρετικά περίεργα φαινόμενα είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων, η οποία εξασφαλίζει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.

Αρχικά, ίσως θα πρέπει να αποφασίσουμε για τι πράγμα μιλάμε. Άρα, ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζεται η ικανότητα μιας ουσίας να περνάει.Επιπλέον, διαφορετικές ουσίες έχουν αυτή την ικανότητα σε διάφορους βαθμούς. Σύμφωνα με τον βαθμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας, οι ουσίες χωρίζονται σε αγωγούς, ημιαγωγούς και διηλεκτρικούς.

Αν κοιτάξετε τα πειραματικά δεδομένα που έλαβαν οι ερευνητές κατά τη μελέτη του ηλεκτρικού ρεύματος, γίνεται σαφές ότι η αγωγιμότητα των μετάλλων είναι η υψηλότερη. Αυτό επιβεβαιώνεται και από την καθημερινή πρακτική, όταν χρησιμοποιούνται μεταλλικά σύρματα για τη μετάδοση ηλεκτρικού ρεύματος. Τα μέταλλα είναι κυρίως αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος. Και η εξήγηση για αυτό μπορεί να βρεθεί στην ηλεκτρονική θεωρία των μετάλλων.

Σύμφωνα με το τελευταίο, ο αγωγός είναι ένα κρυσταλλικό πλέγμα, οι κόμβοι του οποίου καταλαμβάνονται από άτομα. Βρίσκονται πολύ πυκνά και συνδέονται με γειτονικά παρόμοια άτομα, επομένως παραμένουν πρακτικά στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Τι δεν μπορεί να ειπωθεί για τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στα εξωτερικά κελύφη των ατόμων. Αυτά τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται τυχαία, σχηματίζοντας το λεγόμενο «αέριο ηλεκτρονίων». Εδώ είναι η ηλεκτρονική αγωγιμότητα των μετάλλων και βασίζεται σε τέτοια ηλεκτρόνια.

Ως απόδειξη ότι η φύση του ηλεκτρικού ρεύματος οφείλεται στα ηλεκτρόνια, μπορούμε να θυμηθούμε την εμπειρία του Γερμανού φυσικού Rikke, που παρουσιάστηκε το 1901. Πήρε δύο χάλκινους και έναν αλουμινένιους κυλίνδρους με προσεκτικά γυαλισμένες άκρες, έβαλε τον ένα πάνω στον άλλο και τους πέρασε ηλεκτρικό ρεύμα. Σύμφωνα με την ιδέα του πειραματιστή, εάν η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων οφείλεται σε άτομα, τότε θα υπήρχε μεταφορά ύλης. Ωστόσο, αφού πέρασε ένα ηλεκτρικό ρεύμα για ένα χρόνο, η μάζα των κυλίνδρων δεν άλλαξε.

Από αυτό το αποτέλεσμα προέκυψε το συμπέρασμα ότι η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων προκαλείται από ορισμένα σωματίδια που είναι εγγενή σε όλους τους αγωγούς. Το ηλεκτρόνιο, που είχε ήδη ανακαλυφθεί εκείνη τη στιγμή, ήταν απλώς κατάλληλο για αυτόν τον ρόλο. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν αρκετά ακόμη έξυπνα πειράματα και όλα επιβεβαίωσαν ότι το ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων.

Σύμφωνα με τις σύγχρονες ιδέες για τα μέταλλα, τα ιόντα βρίσκονται στους κόμβους του και τα ηλεκτρόνια κινούνται σχετικά ελεύθερα μεταξύ τους. Είναι ένας μεγάλος αριθμός τέτοιων ηλεκτρονίων που εξασφαλίζει την υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων. Εάν υπάρχει μικρή ποσότητα στα άκρα του αγωγού, αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται, γεγονός που προκαλεί τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.

Πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι η αγωγιμότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Έτσι, με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αγωγιμότητα των μετάλλων μειώνεται και αντίστροφα, αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας, μέχρι το Β. Ταυτόχρονα, πρέπει να θυμόμαστε ότι αν και όλα τα μέταλλα έχουν αγωγιμότητα, η τιμή της είναι διαφορετική για καθένα από αυτά . Ο χαλκός έχει την καλύτερη αγωγιμότητα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα και χρησιμοποιούμενα μέταλλα στην ηλεκτρική μηχανική.

Έτσι, το δεδομένο υλικό δίνει την έννοια του ποια είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων, εξηγεί τη φύση του ηλεκτρικού ρεύματος και εξηγεί από τι προκαλείται. Δίνεται περιγραφή του κρυσταλλικού πλέγματος των μετάλλων και της επίδρασης ορισμένων εξωτερικών παραγόντων στην αγωγιμότητα.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων είναι η ικανότητα των στοιχείων και των σωμάτων να μεταφέρουν μια ορισμένη ποσότητα αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων μέσω του εαυτού τους. Η ίδια η αγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος εξηγείται πολύ απλά - ως αποτέλεσμα της επίδρασης ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε ένα αγώγιμο μέταλλο, ένα ηλεκτρόνιο επιταχύνει την κίνησή του τόσο πολύ που χάνει τη σύνδεσή του με το άτομο.

Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα αντιπροσωπεύεται από το γράμμα S και μετριέται σε siemens.

Ανάλογα με τον τύπο και τη φύση των φορέων φορτίου, η αγωγιμότητα είναι ηλεκτρονική, ιοντική και οπή. Τα μέταλλα έχουν ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Υπάρχει τέτοια αγωγιμότητα στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, όπου η πυκνότητα της ύλης είναι χαμηλή, λόγω της οποίας τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται ελεύθερα χωρίς να συνδυάζονται με θετικά φορτισμένα ιόντα.Τα υγρά ηλεκτρόνια έχουν ιοντική αγωγιμότητα. Τα ιόντα, τα οποία είναι φορείς φορτίου, μετακινούν την ουσία κατά την κίνηση, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται στα ηλεκτρόδια. Ένας μηχανισμός αγωγιμότητας είναι πιθανός λόγω της θραύσης του δεσμού σθένους, που οδηγεί στην εμφάνιση κενής θέσης με δεσμό που απουσιάζει . Ένα τέτοιο «άδειο» μέρος με ηλεκτρόνια δεσμού που λείπουν ονομάζεται τρύπα. Η εμφάνιση μιας οπής σε ένα κρύσταλλο αγωγού δημιουργεί μια πρόσθετη ευκαιρία για μεταφορά φορτίου. Αυτή η διαδικασία, που συνοδεύεται από την κίνηση των ηλεκτρονίων, ονομάζεται αγωγιμότητα οπής.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα μετάλλων. Τύποι ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Επίπεδο Fermi.

Τύποι ηλεκτρικής αγωγιμότητας

Ανάλογα με τον τύπο και τη φύση των φορέων φορτίου, η αγωγιμότητα είναι ηλεκτρονική, ιοντική και οπή.

Τα μέταλλα έχουν ηλεκτρονική αγωγιμότητα.

Οι υγρές ουσίες έχουν ιοντική αγωγιμότητα. Τα ιόντα, που είναι φορείς φορτίου, μετακινούν την ουσία κατά την κίνηση, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται στα ηλεκτρόδια.

Ένας μηχανισμός αγωγιμότητας είναι δυνατός, λόγω της θραύσης του δεσμού σθένους, που οδηγεί στην εμφάνιση μιας κενή θέσης με έναν δεσμό που απουσιάζει. Ένα τέτοιο «άδειο» μέρος με ηλεκτρόνια δεσμού που λείπουν ονομάζεται τρύπα. Η εμφάνιση μιας οπής σε ένα κρύσταλλο αγωγού δημιουργεί μια πρόσθετη ευκαιρία για μεταφορά φορτίου. Αυτή η διαδικασία, που συνοδεύεται από την κίνηση των ηλεκτρονίων, ονομάζεται αγωγιμότητα οπής.

Στερεά, υγρά και, υπό κατάλληλες συνθήκες, αέρια μπορούν να χρησιμεύσουν ως αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος.

Οι στερεοί αγωγοί περιλαμβάνουν μέταλλα, κράματα μετάλλων και ορισμένες τροποποιήσεις άνθρακα.

Τα μέταλλα είναι πλαστικές ουσίες με χαρακτηριστική λάμψη γι' αυτά, που είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος και της θερμότητας. Μεταξύ των υλικών της ηλεκτρονικής τεχνολογίας, τα μέταλλα καταλαμβάνουν μια από τις σημαντικότερες θέσεις.

Οι αγωγοί υγρών περιλαμβάνουν λιωμένα μέταλλα και διάφορους ηλεκτρολύτες. Κατά κανόνα, το σημείο τήξης του μετάλλου είναι υψηλό, με εξαίρεση τον υδράργυρο (Hg), ο οποίος έχει θερμοκρασία -39°C. Επομένως, σε κανονική θερμοκρασία, μόνο ο υδράργυρος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αγωγός υγρού μετάλλου. Το γάλλιο (Ga) έχει επίσης θερμοκρασία κοντά στην κανονική (29,8 ° C). Άλλα μέταλλα είναι αγωγοί υγρών μόνο σε υψηλές ή υψηλές θερμοκρασίες.

Ο μηχανισμός διέλευσης ρεύματος από μέταλλα σε στερεά και υγρή κατάσταση οφείλεται στην κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ως εκ τούτου, ονομάζονται αγωγοί με ηλεκτρονική ηλεκτρική αγωγιμότητα ή αγωγοί πρώτου είδους.

Οι ηλεκτρολύτες ή αγωγοί του δεύτερου είδους είναι διαλύματα (κυρίως υδατικά) οξέων, αλκαλίων και αλάτων, καθώς και τήγματα ιοντικών ενώσεων. Η διέλευση των ρευμάτων μέσω τέτοιων αγωγών συνδέεται με τη μεταφορά μερών μορίων (ιόντων) μαζί με ηλεκτρικά φορτία. Ως αποτέλεσμα, η σύνθεση του ηλεκτρολύτη αλλάζει σταδιακά και τα προϊόντα ηλεκτρόλυσης απελευθερώνονται στα ηλεκτρόδια.

Όλα τα αέρια και οι ατμοί, συμπεριλαμβανομένων των μεταλλικών ατμών, δεν μεταφέρουν ρεύμα σε χαμηλές εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου. Ωστόσο, εάν η ένταση του πεδίου είναι μεγαλύτερη από μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, η οποία εξασφαλίζει την έναρξη της κρούσης και του φωτοϊοντισμού, τότε το αέριο μπορεί να γίνει αγωγός με ηλεκτρονική και ιοντική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ένα ισχυρά ιονισμένο αέριο με ίσο αριθμό ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων ανά μονάδα όγκου είναι ένα αγώγιμο μέσο ισορροπίας που ονομάζεται πλάσμα.

Η κλασική ηλεκτρονική θεωρία των μετάλλων, που αναπτύχθηκε από τους Drude και Lorentz, βασίζεται στην ιδέα ενός αερίου ηλεκτρονίων που αποτελείται από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Οι ιδιότητες ενός ιδανικού αερίου αποδίδονται στο αέριο ηλεκτρονίων, δηλ. η κίνηση των ηλεκτρονίων υπακούει στους νόμους της κλασικής στατιστικής

Στην περίπτωση εφαρμογής εξωτερικής τάσης, τα ηλεκτρόνια θα λάβουν κάποια επιπλέον ταχύτητα κατευθυνόμενης κίνησης προς την κατεύθυνση των ενεργών δυνάμεων του πεδίου, λόγω της οποίας προκύπτει ηλεκτρικό ρεύμα.

Στη διαδικασία της κατευθυνόμενης κίνησης, τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άτομα θέσεων πλέγματος. Σε αυτή την περίπτωση, η ταχύτητα της κίνησης επιβραδύνεται και στη συνέχεια, υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, επιταχύνουν:

Η παρουσία ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι επίσης υπεύθυνη για την υψηλή θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων. Όντας σε συνεχή κίνηση, τα ηλεκτρόνια συγκρούονται συνεχώς με ιόντα και ανταλλάσσουν ενέργεια με αυτά. Ως εκ τούτου, οι δονήσεις των ιόντων, που έχουν ενταθεί σε ένα δεδομένο μέρος του μετάλλου λόγω θέρμανσης, μεταφέρονται αμέσως σε γειτονικά ιόντα, από αυτά στα επόμενα κ.λπ., και η θερμική κατάσταση του μετάλλου εξισορροπείται γρήγορα. ολόκληρη η μάζα του μετάλλου παίρνει την ίδια θερμοκρασία.

Η θερμική αγωγιμότητα μπορεί να οριστεί ως η ιδιότητα μιας ουσίας να διεξάγει (μεταφέρει) μια ροή θερμότητας υπό την επίδραση μιας διαφοράς θερμοκρασίας που δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.

Ενέργεια Fermi Ε Φ- τη μέγιστη τιμή ενέργειας που μπορεί να έχει ένα ηλεκτρόνιο σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία. Η ενέργεια Fermi συμπίπτει με τις τιμές του χημικού δυναμικού του αερίου φερμιονίου στο T \u003d 0 K, δηλαδή, το επίπεδο Fermi για τα ηλεκτρόνια παίζει το ρόλο του επιπέδου χημικού δυναμικού για τα αφόρτιστα σωματίδια. Οι αντίστοιχες δυνατότητές του j F = E F /eπου ονομάζεται ηλεκτροχημικό δυναμικό.

Έτσι, το επίπεδο Fermi ή ενέργεια Fermi στα μέταλλα είναι η ενέργεια που μπορεί να έχει ένα ηλεκτρόνιο σε θερμοκρασία απόλυτου μηδέν. Όταν το μέταλλο θερμαίνεται, μερικά ηλεκτρόνια που βρίσκονται κοντά στο επίπεδο Fermi διεγείρονται (λόγω θερμικής ενέργειας, η τιμή της οποίας είναι της τάξης του kT). Αλλά σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, για ένα επίπεδο με ενέργεια που αντιστοιχεί στο επίπεδο Fermi, η πιθανότητα πλήρωσης είναι 1/2. Όλα τα επίπεδα κάτω από το επίπεδο Fermi έχουν πιθανότητα μεγαλύτερη από 1/2 είναι γεμάτα με ηλεκτρόνια και όλα τα επίπεδα πάνω από το επίπεδο Fermi είναι πιο πιθανά από 1/2 χωρίς ηλεκτρόνια.

Η ύπαρξη της ενέργειας Fermi είναι συνέπεια της αρχής Pauli. Η τιμή της ενέργειας Fermi εξαρτάται ουσιαστικά από τις ιδιότητες του συστήματος.