Erinevate ainete elektrijuhtivus. Metallide elektrooniline juhtivus

METALLIDE JA POOLJUHTIDE ELEKTRIJUHTIVUS

Metallide elektrijuhtivus

Vastav kvantmehaaniline arvutus näitab, et ideaalse kristallvõre korral ei kogeks juhtivuselektronid liikumisel mingit takistust ja metallide elektrijuhtivus oleks lõpmatult suur. Kristallvõre pole aga kunagi täiuslik. Võre range perioodilisuse rikkumised on tingitud lisandite või vabade kohtade olemasolust (st aatomite puudumisest kohas), samuti võre termilistest vibratsioonidest. Elektronide hajumine lisandiaatomite ja footonite poolt põhjustab metallides elektritakistuse ilmnemist. Mida puhtam metall ja madalam temperatuur, seda väiksem on see takistus.

Metallide elektritakistuse saab esitada kui

kus  arv - võre termilistest vibratsioonidest tingitud takistus,  u on takistus, mis tuleneb elektronide hajumisest lisandiaatomite poolt. tähtaeg  col väheneb temperatuuri langedes ja kaob T = 0K juures. tähtaeg  u madalal lisandite kontsentratsioonil ei sõltu temperatuurist ja moodustab nn jääktakistus metall (st takistus, mis metallil on temperatuuril 0K).

Olgu metalli ruumalaühik n vabad elektronid. Nimetagem nende elektronide keskmist kiirust triivi kiirus . A-prioor

Välise välja puudumisel on triivi kiirus null ja metallis puudub elektrivool. Välise elektrivälja rakendamisel metallile muutub triivi kiirus nullist erinevaks – metallis tekib elektrivool. Seaduse järgi Ohma triivi kiirus on piiratud ja võrdeline jõuga
.

Mehaanikast on teada, et ühtlase liikumise kiirus on võrdeline kehale mõjuva välisjõuga F kui lisaks jõule - F, kehale mõjub keskkonna takistusjõud, mis on võrdeline keha kiirusega (näiteks väikese palli kukkumine viskoossesse keskkonda). Siit järeldame, et lisaks jõule
, "hõõrdejõud" mõjub metalli juhtivuselektronidele, mille keskmine väärtus on võrdne

(r– proportsionaalsuskoefitsient).

"Keskmise" elektroni liikumisvõrrandil on vorm

,

kus m * on elektroni efektiivne mass. See võrrand võimaldab teil leida püsiväärtuse .

Kui pärast statsionaarse oleku loomist lülitatakse välisväli välja , hakkab triivi kiirus vähenema ja elektronide ja võre vahelise tasakaaluseisundi saavutamisel kaob. Leiame triivikiiruse vähenemise seaduse pärast välisvälja väljalülitamist. Sisse panemine
, saame võrrandi

Oleme seda tüüpi võrranditega tuttavad. Tema lahendus näeb välja selline

,

kus
- triivikiiruse väärtus põllu väljalülitamise hetkel.

Sellest järeldub, et aja jooksul

aastal väheneb triivikiiruse väärtus eüks kord. Seega on väärtuseks relaksatsiooniaeg, mis iseloomustab elektronide ja võre vahelise tasakaalu saavutamise protsessi, mida välisvälja toime häirib. .

Antud valemi saab kirjutada järgmiselt:

.

Triivikiiruse püsiväärtuse saab leida jõu summa nulliga võrdsustamisega
ja hõõrdejõud:

.

.

Voolutiheduse püsiväärtuse saame selle väärtuse korrutamisel elektroni laengu kohta e ja elektronide tihedus n:

.

Proportsionaalsustegur vahel
on elektrijuhtivus  . Seega

.

Metallide elektrijuhtivuse klassikalisel väljendil on vorm

,

kus   on elektronide keskmine vaba tee, m on elektroni tavaline (mitteefektiivne) mass.

Valemite ja valemite võrdlusest järeldub, et relaksatsiooniaeg langeb suurusjärgus kokku elektronide keskmise vaba teega metallis.

Füüsikalistele kaalutlustele tuginedes on võimalik hinnata avaldises sisalduvaid suurusi ja seeläbi suurusjärgus arvutada juhtivus  . Sel viisil saadud väärtused ühtivad hästi katseandmetega. Samuti selgub kogemusega kokkuleppel, et  varieerub sõltuvalt temperatuurist vastavalt seadusele 1/ T. Tuletage meelde, et klassikaline teooria annab selle  pöördvõrdeline
.

Märgime, et valemini viinud arvutused sobivad võrdselt nii metallis juhtivuse elektronide liikumise klassikaliseks tõlgendamiseks kui ka kvantmehaaniliseks tõlgendamiseks. Nende kahe tõlgenduse erinevus on järgmine. Klassikalises käsitluses eeldatakse, et kõik elektronid on häiritud välise elektrivälja poolt, mille kohaselt saab iga liige valemis suunas liite.

vastupidine . Kvantmehaanilises tõlgenduses tuleb arvestada, et ainult Fermi taseme lähedal asuvaid olekuid hõivavad elektronid on välja poolt häiritud ja muudavad nende kiirust. Sügavamatel tasanditel paiknevaid elektrone väli ei häiri ja nende panus summasse ei muutu. Lisaks peaks klassikalises tõlgenduses valemi nimetajaks olema elektroni tavaline mass m, kvantmehaanilises tõlgenduses tuleks tavapärase massi asemel võtta elektroni efektiivne mass m * . See asjaolu on ilming üldreeglist, mille kohaselt vabade elektronide lähenduses saadud seosed osutuvad kehtivaks ka võre perioodilises väljas liikuvate elektronide kohta, kui asendada neis elektroni tegelik mass. m efektiivne mass m * .

Ülijuhtivus

Mitme kelvini suurusjärgus temperatuuril muutub paljude metallide ja sulamite elektritakistus järsult nullaineks, läheb üle ülijuhtiv olek. Temperatuuri, mille juures see üleminek toimub, nimetatakse kriitiline temperatuur ja tähistatud T k . Kõrgeim täheldatud väärtus T k on  20 K.

Eksperimentaalselt saab ülijuhtivust jälgida kahel viisil:

1) ülijuhtlüli lisamisega ühisesse elektriahelasse. Ülijuhtivasse olekusse ülemineku hetkel kaob potentsiaalide erinevus selle lüli otstes;

2) asetades ülijuhtrõnga temaga risti magnetvälja. Pärast alloleva rõnga jahutamist lülitage väli välja. Selle tulemusena indutseeritakse rõngas pidev elektrivool. Vool sellises rõngas ringleb lõputult.

Ülijuhtivuse fenomeni avastanud Hollandi teadlane G. Kamerling-Onnes demonstreeris seda ülijuhtiva rõnga transportimisega, mille vool läbib seda Leidenist Cambridge'i. Mitmetes katsetes täheldati umbes aasta jooksul voolu lagunemise puudumist ülijuhtivas ringis. 1959. aastal teatas Collins, et ta ei täheldanud kahe ja poole aasta jooksul voolu vähenemist.

Lisaks elektritakistuse puudumisele iseloomustab ülijuhtivat olekut asjaolu, et magnetväli ei tungi ülijuhi põhiosasse. Seda nähtust nimetatakse Meissneri efekt. Kui ülijuhtivat proovi jahutatakse magnetvälja asetamisega, surutakse ülijuhtivasse olekusse ülemineku hetkel väli proovist välja ja magnetiline induktsioon proovis kaob. Formaalselt võime öelda, et ülijuhil on null magnetiline läbilaskvus (  = 0). Ained koos  < 1 nimetatakse diamagnetiteks. Seega on ülijuht ideaalne diamagnet.

Piisavalt tugev väline magnetväli hävitab ülijuhtiva oleku. Magnetinduktsiooni väärtust, mille juures see juhtub, nimetatakse kriitiline väli ja tähistatud B k . Tähendus B k sõltub proovi temperatuurist. Kriitilisel temperatuuril B k = 0, temperatuuri langusega B k suureneb kaldudes - kriitilise välja väärtus nulltemperatuuril. Selle sõltuvuse ligikaudne vaade on näidatud joonisel 1

Kui võimendame ühisahelasse kuuluva ülijuhi kaudu voolavat voolu, siis voolutugevuse väärtusel ma k ülijuhtiv olek hävib. Seda voolu väärtust nimetatakse kriitiline vool. Tähendus ma k oleneb temperatuurist. Selle sõltuvuse vorm sarnaneb sõltuvusega B k alates T(vt joonis 1).

Ülijuhtivus on nähtus, mille puhul kvantmehaanilisi efekte ei leita mitte mikroskoopilistel, vaid suurtel makroskoopilistel skaalal. Ülijuhtivuse teooria lõid 1957. aastal J. Bardeen, L. Cooper ja J. Schrieffer. Seda nimetatakse lühidalt BCS-teooriaks. See teooria on väga keeruline. Seetõttu oleme sunnitud piirduma selle esitamisega populaarteaduslike raamatute tasemel, mis ilmselt ei suuda nõudlikku lugejat täielikult rahuldada.

Ülijuhtivuse võti peitub selles, et metallis olevad elektronid kogevad lisaks Coulombi tõrjumisele ka erilist vastastikust külgetõmmet, mis ülijuhtivas olekus tõrjumise üle ülekaalu. Selle tulemusena liidetakse juhtivuselektronid nn cooper paarid. Sellises paaris olevatel elektronidel on vastassuunalised spinnid. Seetõttu on paari spinn null ja see on boson. Bosonid kipuvad akumuleeruma maapealses energiaseisundis, millest on suhteliselt raske neid ergastatud olekusse viia. Järelikult jäävad Cooperi paarid koordineeritud liikumisele sellesse olekusse määramata ajaks. Selline paaride koordineeritud liikumine on ülijuhtivusvool.

Selgitame öeldut üksikasjalikumalt. Metallis liikuv elektron deformeerib (polariseerib) positiivsetest ioonidest koosnevat kristallvõre. Selle deformatsiooni tulemusena ümbritseb elektron positiivse laenguga "pilv", mis liigub mööda võret koos elektroniga. Elektron ja seda ümbritsev pilv on positiivselt laetud süsteem, mille külge tõmmatakse teine ​​elektron. Seega täidab ioonvõre vahekeskkonna rolli, mille olemasolu viib elektronidevahelise külgetõmbeeni.

Kvantmehaanilises keeles seletatakse elektronide vahelist külgetõmmet võre ergastuskvantide - fonoonide - elektronide vahetuse tulemusena. Metallis liikuv elektron rikub võre vibratsiooni režiimi – ergastab fononeid. Ergastusenergia kandub üle teisele elektronile, mis neelab fononi. Sellise fononite vahetuse tulemusena tekib elektronide vahel täiendav interaktsioon, millel on külgetõmbe iseloom. Madalatel temperatuuridel ületab ülijuhtideks olevate ainete külgetõmme Coulombi tõukejõudu.

Fonoonide vahetusest tulenev interaktsioon on kõige tugevam vastandmomendi ja spinniga elektronide puhul. Selle tulemusena ühinevad kaks sellist elektroni Cooperi paariks. Seda paari ei tohiks pidada kaheks kokkukleepunud elektroniks. Vastupidi, paari elektronide vaheline kaugus on väga suur, see on ligikaudu 10 -4 cm, s.o. ületab aatomitevahelisi kaugusi kristallis nelja suurusjärgu võrra. Umbes 10 6 Cooperi paari kattuvad märgatavalt; hõivata kogu ruumi.

Mitte kõik juhtivuselektronid ei ühine Cooperi paarideks. Temperatuuril T, peale absoluutse nulli, on tõenäosus, et paar hävib. Seetõttu liiguvad koos paaridega alati ka "tavalised" elektronid, mis liiguvad läbi kristalli tavapärasel viisil. Mida lähemal T ja T k , seda suuremaks muutub normaalsete elektronide osa, muutudes 1 at T = T k . . Seetõttu kõrgematel temperatuuridel T k ülijuhtiv olek on võimalik.

Cooperi paaride moodustumine toob kaasa metalli energiaspektri ümberkorraldamise. Ülijuhtivas olekus oleva elektroonilise süsteemi ergastamiseks on vaja hävitada vähemalt üks paar, mis nõuab sidumisenergiaga võrdset energiat E elektronide arv paaris. See energia on minimaalne energiahulk, mida ülijuhi elektronsüsteem suudab neelata. Järelikult on ülijuhtivas olekus elektronide energiaspektris laiuse vahe E St, mis asub Fermi tasandi piirkonnas. Sellesse vahemikku kuuluvad energiaväärtused on keelatud. Lõhe olemasolu on katseliselt tõestatud.

Seega eraldab ülijuhtivas olekus oleva elektroonilise süsteemi ergastatud olek põhiolekust laiuse energiavahega. E St. Seetõttu ei ole selle süsteemi kvantüleminekud alati võimalikud. Selle madalatel liikumiskiirustel (mis vastab voolutugevusele, mis on väiksem kui ma k) selle elektrooniline süsteem erutub ja see tähendab hõõrdumiseta liikumist, st. ilma elektritakistuseta.

Energiavahe laius E sv väheneb temperatuuri tõustes ja kaob kriitilisel temperatuuril T k . Sellest tulenevalt hävivad kõik Cooperi paarid ja aine läheb normaalsesse (mitteülijuhtivasse) olekusse.

Ülijuhtivuse teooriast tuleneb, et ülijuhtiva rõnga (või silindriga), mille kaudu vool ringleb, seotud magnetvoog Ф peab olema voolu täisarvuline kordne.
, kus q - jooksev operaatoritasu

.

Väärtus

esindab vookvant.

Magnetvoo kvantimise avastasid eksperimentaalselt 1961. aastal Deaver ja Fairbank ning sõltumatult Doll ja Nebauer. Deaveri ja Fairbanki katsetes oli prooviks umbes 10 -3 cm läbimõõduga vasktraadile ladestunud tinariba, mis täitis raami rolli ega läinud ülijuhtivasse olekusse. Magnetvoo mõõdetud väärtused nendes katsetes, aga ka Dolli ja Nebaueri katsetes osutusid täisarvulisteks kordseteks väärtusest, milles q võtta kaks korda suurem laeng kui elektron q = - 2e) . See toimib täiendava kinnitusena BCS teooria õigsusele, mille kohaselt ülijuhis on voolukandjad Cooperi paarid, mille laeng võrdub kahe elektroni kogulaenguga, s.o. - 2e.

Pooljuhid

Pooljuhid on kristalsed ained, mille valentsriba on täielikult elektronidega täidetud ja ribade vahe on väike (sisemiste pooljuhtide puhul mitte üle 1 eV). Pooljuhid võlgnevad oma nime asjaolule, et elektrijuhtivuse poolest asuvad nad metallide ja dielektrikute vahel vahepealsel positsioonil. Kuid nende tunnuseks ei ole juhtivuse suurus, vaid asjaolu, et nende juhtivus suureneb temperatuuri tõustes (meenutagem, et metallides see väheneb).

Eristama oma ja ebapuhtus pooljuhid. Sisemiste hulka kuuluvad keemiliselt puhtad pooljuhid. Lisandite pooljuhtide elektrilised omadused on määratud neis leiduvate tehislike lisandite järgi.

Pooljuhtide elektriliste omaduste kaalumisel mängib olulist rolli mõiste "augud". Peatugem selle mõiste füüsilise tähenduse selgitamisel.

Absoluutsel nullpunktil olevas sisemises pooljuhis on valentsriba kõik tasemed täielikult elektronidega täidetud ja juhtivusribas pole elektrone (joonis 2a). Elektriväli ei suuda elektrone valentsribalt juhtivusribale üle kanda. Seetõttu käituvad sisemised pooljuhid absoluutses nullis dielektrikutena. Temperatuuridel, mis ei ole 0 K, lähevad osa valentsriba ülemistest tasanditest pärit elektrone termilise ergastuse tulemusena juhtivusriba madalamatele tasemetele (joonis 2b). Nendes tingimustes on elektriväli võimeline muutma elektronide olekut juhtivusribas. Lisaks võivad valentsribas vabade tasemete moodustumise tõttu selle riba elektronid muuta ka oma kiirust välise välja toimel. Selle tulemusena muutub pooljuhi elektrijuhtivus nullist erinevaks.

Selgub, et vabade tasemete olemasolul saab elektronide käitumist valentsribas kujutada positiivselt laetud kvaasiosakeste liikumisena, mida nimetatakse "aukudeks". Kuna täielikult täidetud valentsriba juhtivus on võrdne nulliga, järeldub, et sellises ribas olevate elektronide kiiruste summa on võrdne nulliga

Eraldame sellest summast kiiruse k th elektron

Sellest seosest järeldub, et kui k th elektron valentsribas puudub, siis osutub ülejäänud elektronide kiiruste summa võrdseks
. Seetõttu loovad kõik need elektronid voolu, mis on võrdne
. Seega osutub tekkiv vool samaväärseks vooluga, mille tekitaks osake, mille laeng on + e, millel on puuduva elektroni kiirus. See kujuteldav osake on auk.

Aukude mõisteni võib jõuda ka järgmisel viisil. Vabad tasemed moodustuvad valentsriba ülaosas. Nagu näidatud, on energiariba ülaosas elektroni efektiivne mass negatiivne. Negatiivse laenguga osakese puudumine (- e) ja negatiivne mass m * võrdub positiivse laenguga osakese olemasoluga (+ e) ja positiivne mass | m * | need. augud.

Seega on väikese arvu vabade olekutega valentsriba oma elektriliste omaduste poolest samaväärne tühja ribaga, mis sisaldab väikest arvu positiivselt laetud kvaasiosakesi, mida nimetatakse aukudeks.

Rõhutame, et augu liikumine ei ole mõne reaalse positiivselt laetud osakese nihkumine. Aukude mõiste peegeldab pooljuhis kogu multielektronsüsteemi liikumise olemust.

Pooljuhtide sisejuhtivus

Sisemine juhtivus tuleneb elektronide üleminekust valentsriba ülemistelt tasanditelt juhtivusribale. Samal ajal ilmub juhtivusriba teatud arv voolukandjaid - elektronid, mis hõivavad tasemed riba põhja lähedal, samas kui ülemistel tasanditel vabaneb valentsribas sama palju kohti, mille tagajärjel tekivad augud. ilmuvad

Elektronide jaotumist valentsriba ja juhtivusriba tasanditel kirjeldab Fermi-Dirac funktsioon. Selle jaotuse saab väga selgeks teha, kujutades, kuidas seda tehakse joonisel fig. jaotusfunktsiooni graafik koos energiatsoonide skeemiga.

Vastav arvutus näitab, et sisemiste pooljuhtide puhul on Fermi taseme väärtus, mis loetakse valentsriba tipust, võrdne

,

kus  E on ribavahe ja m d*i m e* on juhtivusribas paikneva augu ja elektroni efektiivsed massid. Tavaliselt on teine ​​termin tühine ja me võime eeldada
. See tähendab, et Fermi tase asub ribalaiuse keskel, järelikult on juhtivusriba läinud elektronide puhul väärtus E - E F erineb vähesel määral poolest ribavahest. Juhtivusribade tasemed asuvad jaotuskõvera lõpus. Seetõttu saab nende elektronidega täitmise tõenäosuse leida eelmise lõigu valemi (1.23) abil. Selle valemi lisamine
, me saame sellest aru

.

Juhtivusriba sisenenud elektronide arv ja seega ka moodustunud aukude arv on võrdeline tõenäosusega. Need elektronid ja augud on voolukandjad. Kuna juhtivus on võrdeline kandjate arvuga, peab see olema võrdeline ka avaldisega. Järelikult suureneb sisemiste pooljuhtide elektrijuhtivus temperatuuri tõustes kiiresti, muutudes vastavalt seadusele

,

kus  E on ribavahe,  0 - väärtus, mis muutub temperatuuriga palju aeglasemalt kui eksponent ja seetõttu võib seda pidada esimeses lähenduses konstandiks.

Kui me joonistame sõltuvuse ln  alates T, siis sisemiste pooljuhtide jaoks saadakse sirgjoon, mis on näidatud joonisel 4. Selle sirge kalde järgi saab määrata ribavahe  E.

Tüüpilised pooljuhid on Mendelejevi perioodilise süsteemi IV rühma elemendid - germaanium ja räni. Need moodustavad teemant-tüüpi võre, milles iga aatom on seotud kovalentsete (elektronpaar) sidemetega nelja naaberaatomiga, mis on sellest võrdsel kaugusel. Tavaliselt võib sellist aatomite vastastikust paigutust kujutada tasase struktuurina, nagu on näidatud joonisel fig. 5. Märgiga ringid tähistavad positiivselt laetud aatomijääke (st seda osa aatomist, mis jääb alles pärast valentselektronide eemaldamist), ringid märgiga - valentselektronid, kaksikjooned - kovalentsed sidemed.

Piisavalt kõrgel temperatuuril võib termiline liikumine üksikuid paare lahutada, vabastades ühe elektroni. Elektronist jäetud koht lakkab olemast neutraalne, selle läheduses tekib liigne positiivne laeng , st. moodustub auk (joonis 5 on näidatud punktiirjoonega). Sellesse kohta võib hüpata ühe naaberpaari elektron. Selle tulemusena hakkab auk nii kristallist kui ka vabanenud elektronist läbi rändama.

Kui vaba elektron kohtub auguga, siis nemad rekombineerida(ühenda). See tähendab, et elektron neutraliseerib augu läheduses oleva üleliigse positiivse laengu ja kaotab oma liikumisvabaduse, kuni saab taas kristallvõrest piisavalt energiat enda vabastamiseks. Rekombinatsioon viib vaba elektroni ja augu samaaegse kadumiseni. Tasemediagrammil vastab rekombinatsiooniprotsess elektroni üleminekule juhtivusribalt ühele valentsriba vabast tasemest.

Seega toimub sisemises pooljuhis korraga kaks protsessi: paarikaupa vabade elektronide ja aukude loomine ning rekombinatsioon, mis viib elektronide ja aukude paarikaupa kadumiseni. Esimese protsessi tõenäosus suureneb kiiresti temperatuuri tõustes. Rekombinatsiooni tõenäosus on võrdeline nii vabade elektronide kui ka aukude arvuga. Seetõttu vastab iga temperatuur teatud elektronide ja aukude tasakaalukontsentratsioonile, mis muutub temperatuuriga võrdeliselt avaldisega.

Välise elektrivälja puudumisel liiguvad juhtivuselektronid ja augud juhuslikult. Kui väli on sisse lülitatud, järgneb kaootilisele liikumisele järjestatud liikumine: elektronid vastu välja ja augud - välja suunas. Nii liikumine – kui ka augud ja elektronid – viivad laengu ülekandeni piki kristalli. Järelikult määravad sisemise elektrijuhtivuse justkui kahe märgi laengukandjad - negatiivsed elektronid ja positiivsed augud.

Pange tähele, et piisavalt kõrgel temperatuuril täheldatakse sisemist juhtivust eranditult kõigis pooljuhtides. Lisandit sisaldavates pooljuhtides koosneb elektrijuhtivus aga sisemisest ja lisandite juhtivusest.

Pooljuhtide lisandite juhtivus

Lisandite juhtivus tekib siis, kui antud pooljuhi osad aatomid asendatakse kristallvõre kohtades aatomitega, mille valents erineb ühe võrra põhiaatomite valentsist. Joonisel 6 on tavapäraselt kujutatud germaaniumi võre viietavalentsete fosfori aatomite seguga. Fosforiaatom vajab nelja elektroni, et moodustada kovalentsed sidemed oma naabritega. Järelikult osutub viies valentselektron justkui üleliigseks ja eraldub soojusliikumise energia tõttu kergesti aatomist, moodustades eksleva vaba elektroni.

Erinevalt eelmises lõigus vaadeldud juhtumist ei kaasne vaba elektroni tekkega kovalentsete sidemete katkemine, s.t. aukude teke. Kuigi lisandi aatomi läheduses tekib liigne positiivne laeng, on see selle aatomiga seotud ega saa mööda võret liikuda.

Selle laengu tõttu suudab lisandi aatom püüda kinni talle läheneva elektroni, kuid kinnipüütud elektroni side aatomiga on habras ja võre termiliste vibratsioonide tõttu kergesti katkeb.

Seega on lisandiga pooljuhis, mille valents on ühe võrra suurem kui põhiaatomite valents, ainult ühte tüüpi voolukandjaid - elektronid. Sellest lähtuvalt öeldakse, et sellisel pooljuhil on elektrooniline juhtivus või see on pooljuht n- tüüp (sõnast negatiivne - negatiivne). Lisandite aatomeid, mis varustavad juhtivuselektrone, nimetatakse annetajad.

Vaatleme juhtivuselektronide käitumist metallis mittetasakaalus, kui nad liiguvad rakendatud välisväljade mõjul. Selliseid protsesse nimetatakse ülekande nähtused.

Nagu teada, elektrijuhtivus (elektrijuhtivus) o on väärtus, mis seostab elektrivoolu tihedust ja intensiivsust kohalikus Ohmi seaduses: j - oE(vt valemi (14.15) 1. osa). Kõik ained jagunevad elektrijuhtivuse olemuse järgi kolme klassi: metallid, pooljuhid ja dielektrikud.

iseloomulik tunnus metallid on nende metalliline juhtivus - elektrijuhtivuse vähenemine temperatuuri tõusuga (voolukandjate konstantsel kontsentratsioonil). Elektrilise takistuse füüsikaliseks põhjuseks metallides on elektronlainete hajumine lisandite ja võre defektide, samuti fonoonide poolt.

Kõige olulisem omadus pooljuhid on nende võime muuta oma omadusi äärmiselt laias vahemikus erinevate mõjude mõjul: temperatuur, elektri- ja magnetväljad, valgustus jne. Näiteks puhaste pooljuhtide sisejuhtivus suureneb kuumutamisel eksponentsiaalselt.

Kell T> 300 K, varieerub pooljuhtidega seotud materjalide erijuhtivus o laias vahemikus 10 ~ 5 kuni 10 6 (Ohm m) -1, samas kui metallide puhul on o suurem kui 10 6 (Ohm m) -1.

Madala erijuhtivusega ained 10~ 5 (oomi m) -1 või vähem, vt dielektrikud. Juhtivus ilmneb väga kõrgetel temperatuuridel.

Kvantteooria annab elektrijuhtivuse järgmise avaldise metallid:

kus P- vabade elektronide kontsentratsioon; t on lõõgastusaeg; t* - elektroni efektiivne mass.

Lõõgastusaeg iseloomustab elektronide ja võre vahelise tasakaalu saavutamise protsessi, mis on häiritud näiteks välise välja äkilise kaasamise tõttu. E.

Mõiste "vaba elektron" tähendab, et elektronile ei mõju ükski jõuväli. Juhtivuselektroni liikumine kristallis välisjõu mõjul F ja kristallvõre küljelt tulevaid jõude võib mõnel juhul kirjeldada kui vaba elektroni liikumist, mida mõjutab ainult jõud F(Newtoni teine ​​seadus, vt valem (3.5) 1. osa), kuid efektiivse massiga t*, erinev massist t e vaba elektron.

Avaldise (30.18) abil tehtud arvutused näitavad, et metallide elektrijuhtivus umbes ~1/T. Eksperiment kinnitab seda kvantteooria järeldust, samas kui klassikalise teooria kohaselt

umbes ~l/fr.

AT pooljuhid mobiilsidekandjate kontsentratsioon on palju madalam kui aatomite kontsentratsioon ja võib muutuda temperatuurimuutuste, valgustuse, osakeste vooga kiiritamise, elektrivälja kokkupuute või suhteliselt väikese koguse lisandite sissetoomisel. Juhtivusriba pooljuhtide laengukandjad on elektronid (juhtivuselektronid) ja valentsribas - positiivselt laetud kvaasiosakesed augud. Kui valentsribas pole mingil põhjusel elektroni, siis öeldakse, et sellesse on tekkinud auk (vaba olek). Aukude ja juhtivuselektronide mõisteid kasutatakse pooljuhtide, poolmetallide ja metallide elektroonilise süsteemi kirjeldamiseks.

Termodünaamilise tasakaalu seisundis sõltuvad elektronide ja aukude kontsentratsioonid pooljuhtides nii temperatuurist ja elektriliselt aktiivsete lisandite kontsentratsioonist kui ka ribavahemikust A E.

Eristatakse sisemisi ja väliseid pooljuhte. Oma pooljuhid on keemiliselt puhtad pooljuhid (nt germaanium Ge, seleen Se). Elektronide arv neis on võrdne aukude arvuga. Juhtivus selliseid pooljuhte nimetatakse oma.

Sisemistes pooljuhtides juures T\u003d O K valentsriba on täielikult täidetud ja juhtivusriba on vaba. Seetõttu, millal T= K ja välise ergastuse puudumise kohta käituvad sisemised pooljuhid nagu dielektrikud. Temperatuuri tõustes liiguvad termilise ergastuse tõttu valentsriba ülemistelt tasanditelt pärit elektronid juhtivusriba. Samal ajal on valentsriba elektronidel võimalik liikuda selle vabanenud ülemistele tasemetele. Juhtivusribas olevad elektronid ja valentsriba augud aitavad kaasa elektrijuhtivusele.

Energiat, mis on vajalik elektroni ülekandmiseks valentsribalt juhtivusribale, nimetatakse aktiveerimise energia enda juhtivus.

Kui kristallile rakendatakse väline elektriväli, liiguvad elektronid väljale vastu ja tekitavad elektrivoolu. Välisväljas, kui naabervalentselektron liigub vabasse kohta, "liigub" selle kohale auk. Selle tulemusena liigub auk, nagu ka juhtivusriba sattunud elektron, läbi kristalli, kuid elektronide liikumisele vastupidises suunas. Formaalselt liigub osake, mille positiivne laeng on võrdne elektroni laengu absoluutväärtusega, piki kristalli välja suunas. Et võtta arvesse aukude kristalli sisevälja elementaarlaenguid, võetakse kasutusele efektiivmassi w* mõiste. Seetõttu võime ülesannete lahendamisel eeldada, et efektiivse massiga auk liigub ainult ühe välisvälja toimel.

Välisväljas on elektronide ja aukude kiiruste suunad vastupidised, kuid nende poolt tekitatud elektrivoolul on sama suund - elektrivälja suund. Seega on voolutihedus pooljuhi sisejuhtivuse juures elektronide y e ja aukude y d voolutiheduse summa:

Elektrijuhtivus o on võrdeline kandjate arvuga, mis tähendab, et saab tõestada, et sisemiste pooljuhtide puhul

ja sõltub eksponentsiaalselt temperatuurist. Elektronide ja aukude panus o-sse on erinev, mis on seletatav nende efektiivmasside erinevusega.

Suhteliselt kõrgetel temperatuuridel domineerib kõigis pooljuhtides sisemine juhtivus. Vastasel juhul määravad pooljuhi elektrilised omadused lisandid (teiste elementide aatomid) ja siis räägitakse lisandite juhtivus. Elektrijuhtivus koosneb sisemisest ja lisandite juhtivusest.

Lisandite pooljuhid nimetatakse pooljuhtideks, mille üksikud aatomid on asendatud lisanditega. Elektronide ja aukude kontsentratsioon neis on oluliselt erinev. Lisandeid, mis on elektronide allikad, nimetatakse annetajad. Lisandeid, mis püüavad valentsribast elektrone, nimetatakse aktsepteerijad.

Lisandite lisamise tulemusena ribalaiusse tekivad täiendavad lubatud elektroonilised energiatasemed, mis asuvad ribalaiuses juhtivusriba lähedal või selle põhjas ( doonori tasemed) või valentsriba ülaossa ( aktseptori tasemed). See suurendab oluliselt pooljuhtide elektrijuhtivust.

n-tüüpi pooljuhtides (inglise keelest, negatiivne - negatiivne) koos doonorlisandiga, elektrooniline juhtivusmehhanism. Juhtivuse neis tagavad liigsed lisandielektronid, mille valents on ühe võrra suurem kui põhiaatomite valents.

Aktseptori lisandiga p-tüüpi pooljuhtides (inglise keelest positiivne - positiivne), augu juhtivuse mehhanism. Juhtivuse neis tagavad augud, mis on tingitud lisandi sisseviimisest, mille valents on ühe võrra väiksem kui põhiaatomite valents.

Veenva tõestuse positiivsete aukude tegelikkusest annab saali efekt(1879). See efekt seisneb magnetväljas asetatud metallis (või pooljuhis), mille voolutihedus on y AT, täiendav elektriväli suunas, mis on risti AT ja kell. Halli efekti kasutamine (Halli koefitsiendi mõõtmine olenevalt ainest) võimaldab määrata laengukandjate kontsentratsiooni ja liikuvust juhis, samuti teha kindlaks pooljuhi (elektroonilise või augu) juhtivuse olemus. ).

Praegu luuakse mikroelektroonika materjalide väljatöötamisel erinevaid pooljuhtmaterjale, sealhulgas laia ribalaiusega pooljuhtmaterjale. Pooljuhtmikroskeeme peetakse üheks paljulubavaks mikroelektroonika valdkonnaks, mis võimaldab luua usaldusväärseid ja funktsionaalselt keerukaid integraallülitusi.

Metallide elektroonilist juhtivust tõestas esimest korda katseliselt saksa füüsik E. Rikke aastal 1901. Läbi kolme tihedalt üksteise vastu surutud poleeritud silindri - vask, alumiinium ja veelkord vask - juhiti pikka aega (aasta jooksul) elektrivoolu. . Selle aja jooksul läbinud kogulaeng oli 3,5 · 10 6 C. Kuna vase ja alumiiniumi aatomite massid erinevad üksteisest oluliselt, peaksid silindrite massid märgatavalt muutuma, kui laengukandjateks oleksid ioonid.

Katsete tulemused näitasid, et iga silindri mass jäi muutumatuks. Kokkupuutuvatelt pindadelt leiti metallide vastastikusest läbitungimisest vaid ebaolulisi jälgi, mis ei ületanud aatomite tavapärase difusiooni tulemusi tahketes ainetes. Järelikult ei ole metallide vabad laengukandjad ioonid, vaid osakesed, mis on samad nii vases kui alumiiniumis. Sellised osakesed võivad olla ainult elektronid.

Otsene ja veenev tõestus selle oletuse paikapidavuse kohta saadi 1913. aastal L. I. Mandelstami ja N. D. Papaleksi ning 1916. aastal T. Stuarti ja R. Tolmani loodud katsetes.

Mähisele on keritud traat, mille otsad on joodetud kahe teineteisest eraldatud metallketta külge (joon. 1). Ketaste otstele kinnitatakse liugkontaktide abil galvanomeeter.

Mähis viiakse kiirele pöörlemisele ja seejärel järsult peatatakse. Pärast mähise järsku peatumist liiguvad vabad laetud osakesed mõnda aega inertsi abil mööda juhti ja sellest tulenevalt tekib mähisesse elektrivool. Vool eksisteerib lühikest aega, sest juhi takistuse tõttu aeglustuvad laetud osakesed ja osakeste järjestatud liikumine peatub.

Voolu suund näitab, et see tekib negatiivselt laetud osakeste liikumisel. Ülekantav laeng on sel juhul võrdeline voolu tekitavate osakeste laengu ja nende massi suhtega, s.o. . Seetõttu oli galvanomeetrit läbiva laengu mõõtmisel kogu voolu vooluahelas aja jooksul võimalik määrata suhe. Selgus, et see võrdub 1,8·10 11 C/kg. See väärtus langeb kokku elektroni laengu ja selle massi suhtega, mis leiti varem teistest katsetest.

Seega tekib metallides elektrivool negatiivselt laetud elektronosakeste liikumisel. Metallide juhtivuse klassikalise elektroonika teooria järgi (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904) võib metalljuhti käsitleda kahe alamsüsteemi kombinatsiooni füüsikalise süsteemina:

1. vabad elektronid kontsentratsiooniga ~ 10 28 m -3 ja
2. positiivselt laetud ioonid, mis vibreerivad tasakaaluasendi ümber.

Vabade elektronide ilmumist kristalli saab seletada järgmiselt.

Aatomite ühinemisel metallkristalliks eralduvad aatomituumaga kõige nõrgemalt seotud välimised elektronid aatomitest (joonis 2). Seetõttu paiknevad positiivsed ioonid metalli kristallvõre sõlmedes ja nendevahelises ruumis liiguvad elektronid, mis ei ole seotud nende aatomite tuumadega. Neid elektrone nimetatakse tasuta või juhtivuselektronid. Nad sooritavad kaootilist liikumist, mis sarnaneb gaasimolekulide liikumisega. Seetõttu nimetatakse vabade elektronide kogumit metallides elektrongaas.

Kui juhile rakendatakse väline elektriväli, siis kattub suunatud liikumine vabade elektronide juhuslikule kaootilisele liikumisele elektrivälja jõudude toimel, mis tekitab elektrivoolu. Elektronide endi liikumiskiirus juhis on mõni murdosa millimeetrist sekundis, kuid juhis tekkiv elektriväli levib kogu juhi pikkuses kiirusega, mis on lähedane valguse kiirusele vaakumis ( 3 10 8 m/s).

Kuna metallides moodustavad elektrivoolu vabad elektronid, siis nimetatakse metalljuhtide juhtivust elektrooniline juhtivus.

Elektriväljast mõjuva konstantse jõu mõjul elektronid omandavad kindla korrapärase liikumise kiiruse (seda nimetatakse triiviks). See kiirus aja jooksul edasi ei suurene, kuna kristallvõre ioonidega kokkupõrkel kannavad elektronid elektriväljas omandatud kineetilise energia kristallvõresse. Esimeses lähenduses võime eeldada, et üle keskmise vaba tee (see on vahemaa, mille elektron läbib kahe järjestikuse ioonidega kokkupõrke vahel) liigub elektron kiirendusega ja selle triivikiirus suureneb aja jooksul lineaarselt.

Kokkupõrke hetkel kannab elektron kineetilise energia üle kristallvõrele. Seejärel kiireneb see uuesti ja protsess kordub. Selle tulemusena on elektronide järjestatud liikumise keskmine kiirus võrdeline elektrivälja tugevusega juhis ja sellest tulenevalt ka potentsiaalide erinevusega juhi otstes, kuna , kus l on juhi pikkus.

On teada, et voolutugevus juhis on võrdeline osakeste järjestatud liikumise kiirusega

ja seetõttu on voolutugevus eelneva järgi võrdeline potentsiaalivahega juhi otstes: I ~ U. See on Ohmi seaduse kvalitatiivne seletus, mis põhineb klassikalisel metallide juhtivuse elektroonika teoorial.

Selle teooriaga on aga raskusi. Teooriast tulenes, et eritakistus peaks olema võrdeline temperatuuri ruutjuurega (), samas kogemuse järgi ~ T. Lisaks peaks metallide soojusmahtuvus selle teooria kohaselt olema palju suurem kui monoatomiliste kristallide soojusmahtuvus. Tegelikkuses erineb metallide soojusmahtuvus vähe mittemetalliliste kristallide soojusmahtuvusest. Need raskused saadi üle ainult kvantteoorias.

1911. aastal avastas Hollandi füüsik G. Kamerling-Onnes elavhõbeda elektritakistuse muutumist madalatel temperatuuridel uurides, et temperatuuril umbes 4 K (s.o -269 °C juures) väheneb takistus järsult (joon. 3) peaaegu nullini. Seda nähtust elektritakistuse nulliks muutmisel G. Kamerling-Onnes nimetas ülijuhtivuseks.

Hiljem leiti, et üle 25 keemilise elemendi – metallid muutuvad väga madalatel temperatuuridel ülijuhtideks. Igal neist on oma kriitiline üleminekutemperatuur nulltakistusega olekusse. Selle madalaim väärtus volframi puhul on 0,012K, kõrgeim nioobiumi puhul 9K.

Ülijuhtivust ei täheldata mitte ainult puhastes metallides, vaid ka paljudes keemilistes ühendites ja sulamites. Sel juhul ei pruugi ülijuhtiva ühendi osaks olevad elemendid ise olla ülijuhid. Näiteks, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb muud.

Ülijuhtivas olekus ainetel on ebatavalised omadused:

1. ülijuhi elektrivool võib eksisteerida pikka aega ilma vooluallikata;
2. ülijuhtivas olekus aine sees on võimatu luua magnetvälja:
3. magnetväli hävitab ülijuhtivuse seisundi. Ülijuhtivus on kvantteooria vaatenurgast seletatav nähtus. Selle üsna keerukas kirjeldus jääb koolifüüsika kursusest välja.

Kuni viimase ajani takistasid ülijuhtivuse laialdast kasutamist raskused, mis olid seotud vajadusega jahutada ülimadalatele temperatuuridele, milleks kasutati vedelat heeliumi. Sellegipoolest on hoolimata seadmete keerukusest, heeliumi nappusest ja kõrgest hinnast alates XX sajandi 60ndatest loodud ülijuhtivaid magneteid ilma nende mähistes soojuskadudeta, mis võimaldas praktiliselt saada tugevaid magnetvälju suhteliselt suurtes tingimustes. mahud. Just selliseid magneteid on vaja selleks, et luua seadmed kontrollitud termotuumasünteesiks koos magnetilise plasma piiramisega, võimsate laetud osakeste kiirendite jaoks. Ülijuhte kasutatakse erinevates mõõteseadmetes, eelkõige väga nõrkade magnetväljade suurima täpsusega mõõtmise seadmetes.

Praegu kulub 10 - 15% energiast elektriliinide juhtmete takistuse ületamiseks. Ülijuhtivad liinid või vähemalt sisendid suurtesse linnadesse toovad tohutut kokkuhoidu. Teine ülijuhtivuse rakendusvaldkond on transport.

Ülijuhtkilede baasil on loodud hulk kiireid loogilisi ja mäluelemente arvutusseadmetele. Kosmoseuuringutes on ülijuhtivaid solenoide perspektiivikas kasutada kosmonautide kiirguskaitseks, laevade dokkimiseks, aeglustamiseks ja orientatsiooniks ning plasmarakettmootorite jaoks.

Praegu on loodud keraamilisi materjale, mille ülijuhtivus on kõrgemal temperatuuril - üle 100K, st temperatuuril, mis on kõrgem kui lämmastiku keemistemperatuur. Võimalus jahutada ülijuhte vedela lämmastikuga, mille aurustumissoojus on suurusjärgus kõrgem, lihtsustab oluliselt ja vähendab kõigi krüogeensete seadmete maksumust ning tõotab tohutut majanduslikku efekti.

Keegi ei imesta täna, et pärast lüliti klahvi puudutamist näeme, et lambipirn süttib. Tihti me isegi ei mõtle, et kõik sellised tegevused põhinevad tervel seerial.Üks sellistest äärmiselt kurioossetest nähtustest on metallide elektrijuhtivus, mis tagab elektrivoolu kulgemise.

Alustuseks peaksime ehk otsustama, millest me räägime. Niisiis nimetatakse elektrijuhtivust aine läbilaskevõimeks, pealegi on see võime erinevatel ainetel erineval määral olemas. Elektrijuhtivuse astme järgi jaotatakse ained juhtideks, pooljuhtideks ja dielektrikuteks.

Kui vaadata teadlaste poolt elektrivoolu uurimisel saadud katseandmeid, siis selgub, et metallide juhtivus on kõige suurem. Seda kinnitab ka igapäevane praktika, mil elektrivoolu edastamiseks kasutatakse metalltraate. Metallid on peamiselt elektrivoolu juhid. Ja seletuse sellele võib leida metallide elektroonilisest teooriast.

Viimase järgi on juhiks kristallvõre, mille sõlmed on hõivatud aatomitega. Need paiknevad väga tihedalt ja on seotud naabruses asuvate sarnaste aatomitega, seetõttu jäävad nad praktiliselt kristallvõre sõlmedesse. Mida ei saa öelda elektronide kohta, mis asuvad aatomite väliskestadel. Need elektronid võivad vabalt juhuslikult liikuda, moodustades niinimetatud "elektrongaasi". Siin on metallide elektrooniline juhtivus ja see põhineb sellistel elektronidel.

Tõendina, et elektrivoolu olemus tuleneb elektronidest, võib meenutada saksa füüsiku Rikke 1901. aastal lavastatud kogemust. Ta võttis kaks vasest ja ühe alumiiniumist hoolikalt poleeritud otstega silindrit, pani üksteise peale ja lasi neist läbi elektrivoolu. Eksperimenteerija idee järgi, kui metallide elektrijuhtivus on tingitud aatomitest, siis toimuks aine ülekanne. Pärast aastast elektrivoolu läbimist silindrite mass aga ei muutunud.

Sellest tulemusest järeldati, et metallide elektrijuhtivuse põhjustavad mõned osakesed, mis on omased kõikidele juhtmetele. Elektron, mis selleks hetkeks oli juba avastatud, sobis just sellesse rolli. Seejärel viidi läbi veel mitu geniaalset katset ja kõik need kinnitasid, et elektrivool on tingitud elektronide liikumisest.

Kaasaegsete ideede kohaselt metallide kohta asuvad ioonid selle sõlmedes ja elektronid liiguvad nende vahel suhteliselt vabalt. Just selliste elektronide suur hulk tagab metallide kõrge elektrijuhtivuse. Kui juhi otstes on väike kogus, hakkavad need vabad elektronid liikuma, mis põhjustab elektrivoolu voolu.

Siinkohal tuleb märkida, et juhtivus sõltub tugevalt temperatuurist. Seega temperatuuri tõustes metallide juhtivus väheneb ja vastupidi, temperatuuri langedes suureneb, kuni B-ni. Samas tuleb meeles pidada, et kuigi juhtivus on kõigil metallidel, on selle väärtus igaühe puhul erinev. . Vasel on elektrotehnikas enim kasutatavatest ja kasutatavatest metallidest parim juhtivus.

Niisiis, antud materjal annab mõiste, mis on metallide elektrijuhtivus, selgitab elektrivoolu olemust ja selgitab, millest see on põhjustatud. Kirjeldatakse metallide kristallvõre ja mõningate välistegurite mõju juhtivusele.

Metallide elektrijuhtivus on elementide ja kehade võime juhtida enda kaudu teatud kogus negatiivselt laetud osakesi. Elektrivoolu juhtivust seletatakse üsna lihtsalt - elektromagnetvälja mõjul juhtivale metallile kiirendab elektron oma liikumist nii palju, et kaotab ühenduse aatomiga.

Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis tähistatakse elektrijuhtivust tähega S ja seda mõõdetakse siemensides.

Sõltuvalt laengukandjate tüübist ja olemusest on juhtivus elektrooniline, ioonne ja auk. Metallidel on elektrooniline juhtivus. Atmosfääri ülemistes kihtides on selline juhtivus, kus aine tihedus on väike, et elektronid saaksid vabalt liikuda ilma positiivselt laetud ioonidega ühinemata.Vedel elektronidel on ioonjuhtivus. Ioonid, mis on laengukandjad, liigutavad ainet liikumisel, mille tulemusena see vabaneb elektroodidel.Valentssideme katkemise tõttu on võimalik juhtivusmehhanism, mis viib vaba koha tekkimiseni, kus puudub aine. võlakiri. Sellist "tühja" kohta, kus puuduvad sideme elektronid, nimetatakse auguks. Juhtkristalli augu ilmumine loob lisavõimaluse laengu ülekandmiseks. Seda protsessi, millega kaasneb elektronide liikumine, nimetatakse aukjuhtimiseks.

Metallide elektrijuhtivus. Elektrijuhtivuse tüübid. Fermi tase.

Elektrijuhtivuse tüübid

Sõltuvalt laengukandjate tüübist ja olemusest on juhtivus elektrooniline, ioonne ja auk.

Metallidel on elektrooniline juhtivus.

Vedelatel ainetel on ioonjuhtivus. Ioonid, mis on laengukandjad, liigutavad ainet liikumisel, mille tulemusena see vabaneb elektroodidel.

Juhtivusmehhanism on võimalik tänu valentssideme katkemisele, mis toob kaasa puuduva sidemega vaba koha ilmumise. Sellist "tühja" kohta, kus puuduvad sideme elektronid, nimetatakse auguks. Juhtkristalli augu ilmumine loob lisavõimaluse laengu ülekandmiseks. Seda protsessi, millega kaasneb elektronide liikumine, nimetatakse aukjuhtimiseks.

Tahked ained, vedelikud ja sobivatel tingimustel gaasid võivad olla elektrivoolu juhid.

Tahked juhid hõlmavad metalle, metallisulameid ja mõningaid süsiniku modifikatsioone.

Metallid on neile iseloomuliku läikega plastilised ained, mis on head elektrivoolu ja soojuse juhid. Elektroonilise tehnoloogia materjalide hulgas on metallidel üks tähtsamaid kohti.

Vedelike juhtide hulka kuuluvad sulametallid ja mitmesugused elektrolüüdid. Reeglina on metalli sulamistemperatuur kõrge, erandiks on elavhõbe (Hg), mille temperatuur on -39°C. Seetõttu saab normaalsel temperatuuril vedela metalli juhina kasutada ainult elavhõbedat. Galliumil (Ga) on ka normaalsele lähedane temperatuur (29,8 ° C). Teised metallid on vedelad juhid ainult kõrgendatud või kõrgetel temperatuuridel.

Tahkes ja vedelas olekus metallide voolu läbimise mehhanism on tingitud vabade elektronide liikumisest. Seetõttu nimetatakse neid elektroonilise elektrijuhtivusega juhtideks või esimest tüüpi juhtideks.

Elektrolüüdid ehk teist tüüpi juhid on hapete, leeliste ja soolade (peamiselt vesilahused) ning ioonsete ühendite sulamid. Voolude läbimine selliste juhtide kaudu on seotud molekulide osade (ioonide) ülekandmisega koos elektrilaengutega. Selle tulemusena muutub elektrolüüdi koostis järk-järgult ja elektroodidele eralduvad elektrolüüsiproduktid.

Kõik gaasid ja aurud, sealhulgas metalliaurud, ei juhi voolu madala elektrivälja tugevuse korral. Kui aga väljatugevus on suurem kui teatud kriitiline väärtus, mis tagab löögi ja fotoionisatsiooni alguse, siis võib gaas muutuda elektroonilise ja ioonse elektrijuhtivusega juhiks. Tugevalt ioniseeritud gaas, millel on võrdne arv elektrone ja positiivseid ioone ruumalaühiku kohta, on tasakaalus juhtiv keskkond, mida nimetatakse plasmaks.

Drude'i ja Lorentzi välja töötatud klassikaline metallide elektrooniline teooria põhineb vabadest elektronidest koosneva elektrongaasi ideel. Ideaalse gaasi omadused omistatakse elektrongaasile, s.t. elektronide liikumine järgib klassikalise statistika seadusi

Välispinge rakendamisel saavad elektronid täiendavalt suunatud liikumiskiiruse välja mõjuvate jõudude suunas, mille tõttu tekib elektrivool.

Suunatud liikumise käigus põrkuvad elektronid võrekohtade aatomitega. Sel juhul liikumiskiirus aeglustub ja siis elektrivälja mõjul need kiirenevad:

Vabade elektronide olemasolu põhjustab ka metallide kõrge soojusjuhtivuse. Olles pidevas liikumises, põrkuvad elektronid pidevalt ioonidega ja vahetavad nendega energiat. Seetõttu kanduvad ioonide vibratsioonid, mis kuumenemise tõttu metalli antud osas on tugevnenud, koheselt üle naaberioonidele, nendelt järgmistele jne ning metalli termiline olek ühtlustub kiiresti; kogu metalli mass võtab sama temperatuuri.

Soojusjuhtivust võib defineerida kui aine omadust juhtida (üle kanda) soojusvoogu ajas muutumatu temperatuurierinevuse mõjul.

Fermi energia E F- maksimaalne energia väärtus, mis elektronil võib olla absoluutse nulltemperatuuri juures. Fermi energia langeb kokku fermioongaasi keemilise potentsiaali väärtustega T \u003d 0 K, see tähendab, et elektronide Fermi tase mängib laenguta osakeste keemilise potentsiaali taseme rolli. Selle vastav potentsiaal j F = E F /e nimetatakse elektrokeemiliseks potentsiaaliks.

Seega on Fermi tase ehk Fermi energia metallides energia, mis elektronil võib olla absoluutse nulltemperatuuri juures. Metalli kuumutamisel ergastuvad mõned Fermi taseme lähedal asuvad elektronid (soojusenergia tõttu, mille väärtus on u. kT). Kuid igal temperatuuril on Fermi tasemele vastava energiaga taseme puhul täitumise tõenäosus 1/2. Kõigil Fermi tasemest madalamatel tasemetel on tõenäosus suurem kui 1/2 on täidetud elektronidega ja kõik Fermi tasemest kõrgemad tasemed on tõenäolisemad kui 1/2 elektronidest vaba.

Fermi energia olemasolu on Pauli printsiibi tagajärg. Fermi energia väärtus sõltub oluliselt süsteemi omadustest.