Conductivity ya umeme ya vitu mbalimbali. Conductivity ya elektroniki ya metali

UENDESHAJI WA UMEME WA CHUMA NA SEMICONDUCTOR

Conductivity ya umeme ya metali

Hesabu inayolingana ya mitambo ya quantum inaonyesha kuwa katika kesi ya kimiani bora cha fuwele, elektroni za upitishaji hazitapata upinzani wowote wakati wa harakati zao na upitishaji wa umeme wa metali ungekuwa mkubwa sana. Hata hivyo, kimiani kioo kamwe kamilifu. Ukiukaji wa upimaji mkali wa kimiani husababishwa na kuwepo kwa uchafu au nafasi za kazi (yaani, kutokuwepo kwa atomi kwenye tovuti), pamoja na vibrations ya joto kwenye latiti. Kueneza kwa elektroni kwenye atomi za uchafu na photoni husababisha kuonekana kwa upinzani wa umeme wa metali. Ya chuma safi na chini ya joto, chini ya upinzani huu.

Upinzani wa umeme wa metali unaweza kuwakilishwa kama

Wapi  hesabu - upinzani unaosababishwa na vibrations ya mafuta ya kimiani,  takriban.- upinzani kutokana na kutawanyika kwa elektroni kwenye atomi za uchafu. Muda  hesabu hupungua kwa kupungua kwa joto na inakuwa sifuri kwa T = 0K. Muda  takriban. katika mkusanyiko mdogo wa uchafu hautegemei joto na huunda kinachojulikana upinzani wa mabaki chuma (yaani upinzani ambao chuma ina 0K).

Hebu kuwe na kiasi cha chuma kwa kila kitengo n elektroni za bure. Wacha tuite kasi ya wastani ya elektroni hizi kasi ya drift . A-kipaumbele

Kwa kukosekana kwa uwanja wa nje kasi ya drift ni sawa na sifuri, na umeme kutokuwepo katika chuma. Wakati wa kuomba nje uwanja wa umeme kasi ya drift inakuwa tofauti na sifuri - sasa umeme hutokea katika chuma. Kwa mujibu wa sheria Ohm kasi ya kuteleza ni ya mwisho na inalingana na nguvu
.

Inajulikana kutoka kwa mechanics kuwa kasi ya mwendo thabiti inageuka kuwa sawia na nguvu ya nje inayotumika kwa mwili. F katika kesi ambapo, pamoja na nguvu - F, mwili unafanywa na nguvu ya kuvuta kutoka kwa kati, ambayo ni sawa na kasi ya mwili (mfano itakuwa kuanguka kwa mpira mdogo katika kati ya viscous). Kutoka hili tunahitimisha kuwa kwa kuongeza nguvu
, elektroni za upitishaji katika chuma zinafanywa na nguvu ya "msuguano", thamani ya wastani ambayo ni

(r-mgawo wa uwiano).

Equation ya mwendo kwa elektroni "wastani" ina fomu

Wapi m * ni wingi wa ufanisi wa elektroni. Mlinganyo huu huturuhusu kupata thamani ya hali thabiti .

Ikiwa, baada ya kuanzisha hali ya stationary, unazima shamba la nje , kasi ya drift itaanza kupungua na, baada ya kufikia hali ya usawa kati ya elektroni na kimiani, itatoweka. Hebu tutafute sheria ya kupunguza kasi ya drift baada ya kuzima uwanja wa nje. Kuweka ndani
, tunapata equation

Tunafahamu aina hii ya equation. Suluhisho lake lina fomu

Wapi
-thamani ya kasi ya kuteleza wakati uwanja umezimwa.

Inafuata kwamba wakati wa wakati

thamani ya drift inapungua ndani e mara moja. Kwa hivyo, idadi hiyo inawakilisha wakati wa kupumzika, ambayo ni sifa ya mchakato wa kuanzisha usawa kati ya elektroni na kimiani, ikisumbuliwa na hatua ya uwanja wa nje. .

Kwa kuzingatia formula inaweza kuandikwa kama ifuatavyo:

Thamani ya hali ya uthabiti ya kasi ya kuteleza inaweza kupatikana kwa kusawazisha jumla ya nguvu hadi sifuri.
na nguvu za msuguano:

Tunapata thamani ya hali ya uthabiti ya msongamano wa sasa kwa kuzidisha thamani hii kwa malipo ya elektroni - e na msongamano wa elektroni n:

Kipengele cha uwiano kati ya
inawakilisha conductivity ya umeme  . Hivyo,

Usemi wa classical kwa conductivity ya umeme ya metali ina fomu

Wapi  ◢ - wastani wa muda wa bure wa kusafiri kwa elektroni, m - kawaida (sio ufanisi) molekuli ya elektroni.

Kutoka kwa kulinganisha kwa formula inafuata kwamba wakati wa kupumzika unafanana kwa utaratibu wa ukubwa na wakati wa njia ya bure ya elektroni katika chuma.

Kulingana na mazingatio ya kimwili, inawezekana kukadiria kiasi kilichojumuishwa katika usemi, na hivyo kuhesabu conductivity kwa utaratibu wa ukubwa.  . Thamani zilizopatikana kwa njia hii zinakubaliana vizuri na data ya majaribio. Pia, kwa kukubaliana na uzoefu, zinageuka kuwa  mabadiliko ya joto kulingana na sheria 1/ T. Hebu tuwakumbushe hilo nadharia ya classical inatoa hiyo  sawia kinyume
.

Kumbuka kuwa mahesabu ambayo yalisababisha formula yanafaa sawa kwa tafsiri ya classical ya harakati ya elektroni za upitishaji katika chuma na tafsiri ya mitambo ya quantum. Tofauti kati ya tafsiri hizi mbili ni kama ifuatavyo. Kwa kuzingatia classical, inachukuliwa kuwa elektroni zote zinasumbuliwa na uwanja wa nje wa umeme, kulingana na ambayo kila neno katika fomula hupokea nyongeza katika mwelekeo.

kinyume . Katika tafsiri ya mitambo ya quantum, mtu anapaswa kuzingatia kwamba elektroni tu zinazochukua majimbo karibu na kiwango cha Fermi zinasumbuliwa na shamba na kubadilisha kasi yao. Elektroni zilizo katika viwango vya kina zaidi hazibabaishwi na uwanja, na mchango wao kwa jumla haubadilika. Kwa kuongeza, kwa tafsiri ya classical, denominator ya formula inapaswa kuwa na molekuli ya kawaida ya elektroni m, katika tafsiri ya mitambo ya quantum, wingi wa ufanisi wa elektroni lazima uchukuliwe badala ya molekuli ya kawaida. m * . Hali hii ni dhihirisho la kanuni ya jumla, kulingana na ambayo uhusiano uliopatikana katika makadirio ya elektroni ya bure hugeuka kuwa halali kwa elektroni zinazohamia kwenye uwanja wa upimaji wa kimiani, ikiwa misa ya kweli ya elektroni inabadilishwa ndani yao. m molekuli yenye ufanisi m * .

Superconductivity

Kwa joto la utaratibu wa Kelvin kadhaa, upinzani wa umeme wa idadi ya metali na aloi hubadilika ghafla kuwa dutu sifuri, hubadilika kuwa. hali ya superconducting. Joto ambalo mpito huu hutokea huitwa joto muhimu na imeteuliwa T k. Thamani ya juu inayozingatiwa T k ni  20 K.

Superconductivity inaweza kuzingatiwa kwa majaribio kwa njia mbili:

1) imejumuishwa katika jumla mzunguko wa umeme kiungo cha superconductor. Wakati wa mpito kwa hali ya superconducting, tofauti inayoweza kutokea mwishoni mwa kiungo hiki inakuwa sifuri;

2) kwa kuweka pete ya superconductor katika shamba la magnetic perpendicular yake. Baada ya kupoza pete hapa chini, zima uwanja. Matokeo yake, sasa umeme unaoendelea unaingizwa kwenye pete. Ya sasa inazunguka katika pete kama hiyo kwa muda usiojulikana.

Mwanasayansi wa Uholanzi G. Kamerlingh Onnes, ambaye aligundua jambo la superconductivity, alionyesha hili kwa kusafirisha pete ya superconducting na sasa inapita kupitia hiyo kutoka Leiden hadi Cambridge. Katika idadi ya majaribio, ukosefu wa attenuation ya sasa katika pete superconducting ilizingatiwa kwa muda wa mwaka mmoja. Mnamo 1959, Collins aliripoti kwamba hakuona kupungua kwa sasa kwa miaka miwili na nusu.

Mbali na kutokuwepo upinzani wa umeme, hali ya superconducting ina sifa ya ukweli kwamba uwanja wa magnetic hauingii ndani ya unene wa superconductor. Jambo hili linaitwa Athari ya Meissner. Iwapo sampuli ya upitishaji wa juu zaidi imepozwa wakati imewekwa kwenye uga wa sumaku, wakati wa mpito hadi kwenye hali ya upitishaji wa juu zaidi, uwanja huo hutolewa nje ya sampuli, na uingizaji wa sumaku kwenye sampuli huwa sufuri. Hapo awali, tunaweza kusema kwamba superconductor ina upenyezaji wa sumaku sifuri (  = 0). Dutu zenye  < 1 huitwa nyenzo za diamagnetic. Kwa hivyo, superconductor ni diamagnetic bora.

Sehemu yenye nguvu ya kutosha ya nje ya magnetic inaharibu hali ya superconducting. Thamani ya induction ya magnetic ambayo hii hutokea inaitwa uwanja muhimu na imeteuliwa B k. Maana B k inategemea joto la sampuli. Kwa joto muhimu B k = 0, na halijoto inayopungua thamani B k huongezeka, kuchunga - thamani ya uwanja muhimu kwa joto la sifuri. Mtazamo wa takriban wa utegemezi huu unaonyeshwa kwenye Mchoro 1

Ikiwa tunaimarisha sasa inapita kupitia superconductor iliyounganishwa na mzunguko wa kawaida, basi kwa thamani ya sasa I k hali ya superconducting imeharibiwa. Thamani hii ya sasa inaitwa sasa muhimu. Maana I k inategemea joto. Aina ya utegemezi huu ni sawa na utegemezi B k kutoka T(tazama Mchoro 1).

Superconductivity ni jambo ambalo athari za mitambo ya quantum hazipatikani kwenye mizani ya microscopic, lakini kwa mizani kubwa, ya macroscopic. Nadharia ya superconductivity iliundwa mwaka wa 1957 na J. Bardeen, L. Cooper na J. Schrieffer. Inaitwa kwa ufupi nadharia ya BCS. Nadharia hii ni ngumu sana. Kwa hiyo, tunalazimika kujiwekea kikomo kwa kuiwasilisha katika kiwango cha vitabu vya sayansi maarufu, ambavyo, kwa wazi, haviwezi kumridhisha kikamilifu msomaji mwenye utambuzi.

Jibu la superconductivity liko katika ukweli kwamba elektroni kwenye chuma, pamoja na kurudisha nyuma kwa Coulomb, hupata aina maalum ya kivutio cha pande zote, ambacho katika hali ya juu zaidi hushinda kukataa. Kama matokeo, elektroni za upitishaji huchanganyika kuwa kinachojulikana Cooper jozi. Elektroni katika jozi kama hizo zina mizunguko iliyoelekezwa kinyume. Kwa hiyo, jozi ina zero spin na ni boson. Bosons huwa na kujilimbikiza hasa hali ya nishati, ambayo ni vigumu kuwahamisha kwa hali ya msisimko. Kwa hivyo, jozi za Cooper, baada ya kuingia katika mwendo ulioratibiwa, hubaki katika hali hii kwa muda usiojulikana. Harakati hii iliyoratibiwa ya jozi ni ya sasa ya superconductivity.

Hebu tueleze hili kwa undani zaidi. Elektroni inayosogea kwenye chuma huharibu (inaweka polarize) kimiani ya kioo inayojumuisha ayoni chanya. Kama matokeo ya deformation hii, elektroni hujikuta ikizungukwa na "wingu" la malipo mazuri, likisonga kando ya kimiani pamoja na elektroni. Elektroni na wingu linaloizunguka huunda mfumo wa chaji chanya ambapo elektroni nyingine itavutiwa. Kwa hivyo, kimiani ya ionic ina jukumu la kati ya kati, uwepo wa ambayo husababisha mvuto kati ya elektroni.

Katika lugha ya kimitambo ya quantum, kivutio kati ya elektroni kinaelezewa kama matokeo ya kubadilishana kati ya elektroni za quanta ya kusisimua ya kimiani - phononi. Elektroni inayotembea kwenye chuma huvuruga modi ya mtetemo wa kimiani na kusisimua phononi. Nishati ya msisimko huhamishiwa kwa elektroni nyingine, ambayo inachukua phonon. Kama matokeo ya ubadilishaji huu wa phononi, mwingiliano wa ziada kati ya elektroni unatokea, ambayo ina asili ya kuvutia. Katika joto la chini Kivutio hiki cha dutu ambazo ni superconductors huzidi msukumo wa Coulomb.

Mwingiliano kwa sababu ya ubadilishanaji wa phononi hutamkwa zaidi kwa elektroni zilizo na wakati tofauti na mizunguko. Kama matokeo, elektroni mbili kama hizo huchanganyika kuunda jozi ya Cooper. Jozi hii haipaswi kuzingatiwa kama elektroni mbili zilizoshikamana. Kinyume chake, umbali kati ya elektroni za jozi ni kubwa sana, ni takriban 10 -4 cm, i.e. ni amri nne za ukubwa zaidi ya umbali interatomic katika kioo. Takriban jozi 10 6 za Cooper zinaingiliana kwa dhahiri, i.e. kuchukua kiasi cha jumla.

Sio elektroni zote za upitishaji zimeunganishwa kuwa jozi za Cooper. Kwa joto T, tofauti na sifuri kabisa, kuna uwezekano fulani kwamba jozi hizo zitaharibiwa. Kwa hiyo, pamoja na jozi, daima kuna elektroni "za kawaida" zinazohamia kupitia kioo kwa njia ya kawaida. karibu zaidi T Na T k, zaidi uwiano wa elektroni za kawaida huwa, kugeuka hadi 1 saa T = T k. . Kwa hiyo, kwa joto la juu T k superconducting hali inawezekana.

Uundaji wa jozi za Cooper husababisha urekebishaji wa wigo wa nishati ya chuma. Kwa msisimko mfumo wa kielektroniki, ambayo iko katika hali ya superconducting, ni muhimu kuharibu angalau jozi moja, ambayo inahitaji nishati sawa na nishati ya kumfunga. E sv ya elektroni katika jozi. Nishati hii inawakilisha kiasi kidogo nishati ambayo inaweza kufyonzwa na mfumo wa elektroni katika superconductor. Kwa hivyo, katika wigo wa nishati ya elektroni katika hali ya juu zaidi, kuna pengo la upana. E St., iliyoko katika eneo la kiwango cha Fermi. Thamani za nishati za pengo hili ni marufuku. Uwepo wa pengo ulithibitishwa kwa majaribio.

Kwa hivyo, hali ya msisimko ya mfumo wa elektroniki katika hali ya juu inatenganishwa na hali ya ardhi na pengo la upana wa nishati. E St. Ndiyo maana mabadiliko ya quantum mfumo huu hautawezekana kila wakati. Kwa kasi ya chini ya harakati (sambamba na nguvu ya sasa chini ya I k) mfumo wake wa umeme utakuwa na msisimko, na hii ina maana ya harakati bila msuguano, i.e. bila upinzani wa umeme.

Upana wa pengo la nishati E sv hupungua kwa halijoto inayoongezeka na kuwa sifuri kwenye halijoto muhimu T k. Ipasavyo, jozi zote za Cooper zinaharibiwa, na dutu hii huenda katika hali ya kawaida (isiyo ya superconducting).

Kutoka kwa nadharia ya superconductivity ifuatavyo kwamba flux magnetic Ф inayohusishwa na pete ya superconducting (au silinda) ambayo sasa inazunguka lazima iwe nambari kamili ya
, Wapi q - malipo ya sasa ya mtoa huduma

Ukubwa

inawakilisha magnetic flux quantum.

Ukadiriaji wa flux ya sumaku uligunduliwa kwa majaribio mnamo 1961 na Deaver na Fairbank na kwa kujitegemea na Doll na Nebauer. Katika majaribio ya Deaver na Fairbank, sampuli ilikuwa ukanda wa bati uliowekwa kwenye waya wa shaba wenye kipenyo cha cm 10 - 3. Waya ilifanya jukumu la fremu na haikupita kwenye hali ya upitishaji wa juu. Thamani zilizopimwa za flux ya sumaku katika majaribio haya, kama katika majaribio ya Doll na Nebauer, iligeuka kuwa zidishi kamili za thamani ambayo q unahitaji kuchukua malipo mara mbili ya elektroni ( q = - 2e) . Hii hutumika kama uthibitisho wa ziada wa usahihi wa nadharia ya BCS, kulingana na ambayo wabebaji wa sasa katika superconductor ni jozi za Cooper, malipo ambayo ni sawa na malipo ya jumla ya elektroni mbili, i.e. - 2e.

Semiconductors

Semiconductors ni vitu vya fuwele, ambayo bendi ya valence imejaa kabisa elektroni, na pengo la bendi ni ndogo (kwa semiconductors ya ndani si zaidi ya 1 eV). Semiconductors wana jina lao kwa ukweli kwamba kwa suala la conductivity ya umeme wanachukua nafasi ya kati kati ya metali na dielectri. Hata hivyo, ni nini tabia yao sio thamani ya conductivity, lakini ukweli kwamba conductivity yao huongezeka kwa joto la kuongezeka (kumbuka kwamba kwa metali hupungua).

Tofautisha mwenyewe Na uchafu halvledare. Hizi ni pamoja na semiconductors safi za kemikali. Mali ya umeme ya semiconductors ya uchafu imedhamiriwa na uchafu ulioletwa kwa bandia uliopo ndani yao.

Wakati wa kuzingatia mali ya umeme ya semiconductors, dhana ya "mashimo" ina jukumu muhimu. Wacha tuendelee kufafanua maana ya kimwili ya dhana hii.

Katika semiconductor ya ndani kwa sifuri kabisa, ngazi zote za bendi ya valence hujazwa kabisa na elektroni, na hakuna elektroni katika bendi ya uendeshaji (Mchoro 2a). Sehemu ya umeme haiwezi kuhamisha elektroni kutoka kwa bendi ya valence hadi bendi ya upitishaji. Kwa hivyo, semiconductors asili hufanya kama dielectrics katika sufuri kabisa. Kwa joto lingine zaidi ya 0 K, baadhi ya elektroni kutoka ngazi za juu za bendi ya valence hupita kutokana na msisimko wa joto kwa viwango vya chini vya bendi ya uendeshaji (Mchoro 2b). Chini ya hali hizi, uwanja wa umeme una nafasi ya kubadilisha hali ya elektroni iko kwenye bendi ya uendeshaji. Kwa kuongeza, kutokana na kuundwa kwa viwango vya wazi katika bendi ya valence, elektroni katika bendi hii pia inaweza kubadilisha kasi yao chini ya ushawishi wa uwanja wa nje. Matokeo yake, conductivity ya umeme ya semiconductor inakuwa isiyo ya sifuri.

Inabadilika kuwa mbele ya viwango vilivyo wazi, tabia ya elektroni za bendi ya valence inaweza kuwakilishwa kama harakati ya chembechembe zenye chaji, zinazoitwa "mashimo". Kutokana na ukweli kwamba conductivity ya bendi ya valence iliyojaa kabisa ni sifuri, inafuata kwamba jumla ya kasi ya elektroni zote katika bendi hiyo ni sawa na sifuri.

Wacha tutoe kasi kutoka kwa kiasi hiki k elektroni

Kutoka kwa uhusiano uliopatikana inafuata kwamba ikiwa k elektroni ya th haipo kwenye bendi ya valence, basi jumla ya kasi ya elektroni zilizobaki zinageuka kuwa sawa na
. Kwa hiyo, elektroni hizi zote zitaunda sasa sawa na
. Kwa hivyo, sasa inayotokana inageuka kuwa sawa na ya sasa ambayo ingeundwa na chembe yenye malipo + e, ambayo ina kasi ya elektroni iliyopotea. Chembe hii ya kufikiria ni shimo.

Dhana ya mashimo pia inaweza kufikiwa kwa njia ifuatayo. Viwango vilivyo wazi vinaundwa juu ya bendi ya valence. Kama inavyoonyeshwa, wingi wa ufanisi wa elektroni ulio juu ya bendi ya nishati ni hasi. Kutokuwepo kwa chembe yenye chaji hasi (- e) na wingi hasi m * ni sawa na uwepo wa chembe yenye malipo chanya (+e) na wingi chanya | m * | hizo. mashimo.

Kwa hivyo, kwa suala la sifa zake za umeme, bendi ya valence yenye idadi ndogo ya majimbo yaliyo wazi ni sawa na bendi tupu iliyo na idadi ndogo ya quasiparticles iliyochajiwa vyema inayoitwa mashimo.

Tunasisitiza kwamba kusogea kwa shimo si mwendo wa baadhi ya chembe halisi iliyochajiwa chaji. Wazo la shimo linaonyesha asili ya mwendo wa mfumo mzima wa elektroni kwenye semiconductor.

Conductivity ya ndani ya semiconductors

Uendeshaji wa ndani hutokea kama matokeo ya mpito wa elektroni kutoka ngazi za juu za bendi ya valence hadi bendi ya upitishaji. Katika kesi hii, idadi fulani ya wabebaji wa sasa huonekana kwenye bendi ya upitishaji - elektroni, viwango vya kuchukua karibu na chini ya bendi; wakati huo huo, kwenye bendi ya valence, idadi sawa ya maeneo katika viwango vya juu huondolewa, kama. matokeo ambayo mashimo yanaonekana

Usambazaji wa elektroni juu ya viwango vya bendi ya valence na bendi ya upitishaji inaelezewa na kazi ya Fermi-Dirac. Usambazaji huu unaweza kuwekwa wazi sana kwa kuuonyesha kama kwenye Mtini. grafu ya chaguo za kukokotoa za usambazaji pamoja na mchoro wa maeneo ya nishati.

Hesabu inayolingana inaonyesha kuwa kwa semikondukta za ndani, thamani ya kiwango cha Fermi kilichopimwa kutoka juu ya bendi ya valence ni sawa na

wapi  E ni upana wa bandgap, na m d*i m e * ni wingi bora wa shimo na elektroni ziko katika bendi ya upitishaji. Kawaida muhula wa pili haufai, na tunaweza kudhani
. Hii ina maana kwamba kiwango cha Fermi kiko katikati ya pengo la bendi. Kwa hiyo, kwa elektroni ambazo zimepita kwenye bendi ya upitishaji, kiasi E - E F hutofautiana kidogo na nusu ya pengo la bendi. Viwango vya bendi ya upitishaji viko kwenye mkia wa mkondo wa usambazaji. Kwa hiyo, uwezekano wa kujazwa kwao na elektroni unaweza kupatikana kwa kutumia formula (1.23) ya aya iliyotangulia. Kuweka katika formula hii
, tunapata hiyo

Idadi ya elektroni zilizohamishwa kwenye bendi ya uendeshaji, na kwa hiyo idadi ya mashimo yaliyoundwa, itakuwa sawa na uwezekano. Elektroni hizi na mashimo ni flygbolag za sasa. Kwa kuwa conductivity ni sawia na idadi ya wabebaji, lazima pia iwe sawia na usemi. Kwa hiyo, conductivity ya umeme ya semiconductors ya ndani huongezeka kwa kasi na joto, kubadilisha kulingana na sheria.

wapi  E- upana wa pengo la bendi,  0 - kiasi kinachobadilika na joto polepole zaidi kuliko kielelezo, na kwa hiyo, kwa makadirio ya kwanza, inaweza kuchukuliwa kuwa ya mara kwa mara.

Ikiwa utegemezi ln umepangwa kwenye grafu  kutoka T, basi kwa semiconductors ya ndani mstari wa moja kwa moja unapatikana, umeonyeshwa kwenye Mchoro 4. Kutoka kwenye mteremko wa mstari huu wa moja kwa moja unaweza kuamua pengo la bendi  E.

Semiconductors ya kawaida ni vipengele vya Kundi IV meza ya mara kwa mara Mendeleev - germanium na silicon. Wanaunda kimiani cha aina ya almasi, ambamo kila chembe imeunganishwa na vifungo vya covalent (jozi-elektroni) na atomi nne za jirani zikiwa zimetengana sawa kutoka kwayo. Kwa kawaida, mpangilio huu wa pande zote wa atomi unaweza kuwakilishwa kwa namna ya muundo wa gorofa ulioonyeshwa kwenye Mtini. 5. Mugs na ishara zinaonyesha mabaki ya atomi yenye chaji chanya (yaani, sehemu hiyo ya atomi inayobaki baada ya kuondolewa kwa elektroni za valence), miduara yenye ishara. - elektroni za valence, mistari miwili - vifungo vya covalent.

Wakati wa kutosha joto la juu mwendo wa joto unaweza kutenganisha jozi za kibinafsi, kuachilia elektroni moja. Mahali palipoachwa na elektroni hukoma kuwa upande wowote, na malipo chanya ya ziada yanaonekana katika eneo lake. , i.e. shimo hutengenezwa (katika Mchoro 5 inaonyeshwa na mduara wa dotted). Elektroni kutoka kwa moja ya jozi za jirani inaweza kuruka mahali hapa. Kama matokeo, shimo pia huanza kuzunguka fuwele, kama elektroni iliyoachiliwa.

Wakati elektroni ya bure hukutana na shimo, wao unganisha tena(kuunganisha). Hii ina maana kwamba elektroni hupunguza chaji chanya ya ziada iliyopo karibu na shimo na kupoteza uhuru wa kutembea hadi inapopokea tena nishati ya kutosha kutoka kwa kimiani ya fuwele ili kujitoa yenyewe. Recombination husababisha kutoweka kwa wakati mmoja wa elektroni ya bure na shimo. Katika mchoro wa ngazi, mchakato wa recombination unafanana na mpito wa elektroni kutoka kwa bendi ya uendeshaji hadi moja ya viwango vya bure vya bendi ya valence.

Kwa hivyo, katika semiconductor ya ndani, michakato miwili hutokea wakati huo huo: kuundwa kwa elektroni za bure za jozi na mashimo na recombination, na kusababisha kutoweka kwa jozi ya elektroni na mashimo. Uwezekano wa mchakato wa kwanza huongezeka kwa kasi na joto. Uwezekano wa kuunganishwa tena ni sawia na idadi ya elektroni za bure na idadi ya mashimo. Kwa hivyo, kila halijoto inalingana na mkusanyiko fulani wa usawa wa elektroni na mashimo, ambayo hubadilika na halijoto kulingana na usemi.

Wakati hakuna uwanja wa umeme wa nje, elektroni za upitishaji na mashimo husogea kwa nasibu. Wakati shamba limewashwa, harakati ya machafuko inasimamiwa na harakati iliyoamuru: elektroni dhidi ya shamba na mashimo kwenye mwelekeo wa shamba. Misogeo yote miwili ya mashimo na elektroni husababisha uhamishaji wa malipo kando ya fuwele. Kwa hiyo, conductivity ya ndani ya umeme imedhamiriwa, kama ilivyokuwa, kwa flygbolag za malipo ya ishara mbili - elektroni hasi na mashimo mazuri.

Kumbuka kuwa kwa joto la juu la kutosha, conductivity ya ndani huzingatiwa katika semiconductors zote bila ubaguzi. Hata hivyo, katika semiconductors zenye uchafu, conductivity ya umeme inajumuishwa na conductivities ya ndani na ya uchafu.

Conductivity ya uchafu wa semiconductors

Uendeshaji wa uchafu hutokea ikiwa baadhi ya atomi za semiconductor fulani hubadilishwa kwenye nodi kimiani kioo atomi ambazo valency yake hutofautiana kwa moja kutoka valence ya atomi kuu. Mchoro wa 6 unaonyesha kimiani ya germanium iliyo na mchanganyiko wa atomi za fosforasi pentavalent. Ili kuunda vifungo vya ushirikiano na majirani zake, atomi ya fosforasi inahitaji tu elektroni nne. Kwa hivyo, elektroni ya tano ya valence inaonekana kuwa isiyo ya kawaida na imegawanyika kwa urahisi kutoka kwa atomi kwa sababu ya nishati ya mwendo wa joto, na kutengeneza elektroni isiyo na malipo.

Tofauti na kesi iliyojadiliwa katika aya iliyotangulia, uundaji wa elektroni ya bure hauambatana na ukiukwaji wa vifungo vya ushirikiano, i.e. malezi ya shimo. Ingawa chaji chanya ya ziada inaonekana karibu na atomi ya uchafu, inashikamana na atomi hii na haiwezi kuzunguka kimiani.

Shukrani kwa malipo haya, atomi ya uchafu inaweza kunasa elektroni inayoikaribia, lakini dhamana kati ya elektroni iliyokamatwa na atomi itakuwa dhaifu na itavunjika kwa urahisi tena kwa sababu ya mitetemo ya joto ya kimiani.

Kwa hivyo, katika semiconductor yenye uchafu ambao valence ni kitengo kikubwa zaidi kuliko valence ya atomi kuu, kuna aina moja tu ya flygbolag za sasa - elektroni. Ipasavyo, semiconductor kama hiyo inasemekana kuwa na conductivity ya elektroniki au ni semiconductor n- aina (kutoka kwa neno hasi - hasi). Atomi za uchafu ambazo hutoa elektroni za upitishaji huitwa wafadhili.

Hebu tuchunguze tabia ya elektroni za uendeshaji katika chuma katika hali isiyo na usawa, wakati wanahamia chini ya ushawishi wa mashamba ya nje yaliyotumiwa. Taratibu kama hizo huitwa matukio ya uhamisho.

Kama inavyojulikana, conductivity ya umeme (conductivity ya umeme) o ni kiasi kinachohusiana na msongamano wa sasa wa umeme na voltage ndani sheria za mitaa Ohm: j - oE(tazama fomula (14.15) sehemu ya 1). Dutu zote kulingana na asili ya conductivity ya umeme imegawanywa katika madarasa matatu: metali, semiconductors na dielectrics.

Kipengele cha tabia metali ni conductivity yao ya metali - kupungua kwa conductivity ya umeme na joto la kuongezeka (kwa mkusanyiko wa mara kwa mara wa flygbolag za sasa). Sababu ya kimwili Upinzani wa umeme katika metali ni kueneza kwa mawimbi ya elektroni kwa uchafu na kasoro za kimiani, na pia kwa phononi.

Wengi kipengele muhimu halvledare ni uwezo wao wa kubadilisha mali zao juu ya anuwai pana sana chini ya ushawishi wa mvuto anuwai: joto, uwanja wa umeme na sumaku, taa, nk. Kwa mfano, conductivity ya ndani ya semiconductors safi huongezeka kwa kasi wakati wa joto.

Katika T> 300 K, upitishaji maalum o wa nyenzo zinazohusiana na halvledare hutofautiana katika anuwai kutoka 10 ~ 5 hadi 10 6 (Ohm m) -1, wakati kwa metali o ni zaidi ya 10 6 (Ohm m) -1.

Dutu zilizo na upitishaji maalum wa chini ziko kwenye mpangilio wa 10~ 5 (Ohm m) -1 au chini, rejelea dielectrics. Conductivity hutokea kwa joto la juu sana.

Nadharia ya quantum inaongoza kwa kwa usemi ufuatao kwa conductivity ya umeme metali:

Wapi P- mkusanyiko wa elektroni za bure; t - wakati wa kupumzika; T* - wingi wa ufanisi wa elektroni.

Wakati wa kupumzika inaangazia mchakato wa kuanzisha usawa kati ya elektroni na kimiani, iliyovurugika, kwa mfano, kwa kuingizwa kwa ghafla kwa uwanja wa nje. E.

Neno "elektroni huru" linamaanisha kwamba elektroni haiathiriwa na yoyote mashamba ya nguvu. Harakati ya elektroni ya upitishaji katika kioo chini ya ushawishi wa nguvu ya nje F na nguvu kutoka kwa kimiani ya glasi katika hali zingine zinaweza kuelezewa kama harakati ya elektroni ya bure, ambayo inafanywa kwa nguvu tu. F(Sheria ya pili ya Newton, angalia fomula (3.5) sehemu ya 1), lakini yenye wingi wa ufanisi T*, tofauti na wingi i.e. elektroni ya bure.

Hesabu kwa kutumia usemi (30.18) zinaonyesha kuwa conductivity ya umeme ya metali o~1/T. Jaribio linathibitisha hitimisho hili nadharia ya quantum, wakati kulingana na nadharia ya classical

o ~ l/fr.

KATIKA halvledare mkusanyiko wa wabebaji wa rununu ni wa chini sana kuliko mkusanyiko wa atomi na unaweza kubadilika na mabadiliko ya hali ya joto, taa, miale na mtiririko wa chembe, yatokanayo na uwanja wa umeme, au kuanzishwa kwa kiasi kidogo cha uchafu. Wabebaji wa malipo katika semiconductors katika bendi ya upitishaji ni elektroni (elektroni za upitishaji), na katika bendi ya valence - quasiparticles zenye chaji chanya. mashimo. Wakati elektroni inakosekana kutoka kwa bendi ya valence kwa sababu yoyote, inasemekana kuwa imeunda shimo (hali iliyo wazi). Dhana za mashimo na elektroni za uendeshaji hutumiwa kuelezea mfumo wa elektroniki wa semiconductors, semimetals na metali.

Katika hali ya usawa wa thermodynamics, viwango vya elektroni na mashimo katika semiconductors hutegemea halijoto na mkusanyiko wa uchafu unaofanya kazi kwa umeme, na kwenye pengo la bendi A. E.

Kuna semiconductors ya ndani na ya uchafu. Semiconductors mwenyewe ni semiconductors safi za kemikali (kwa mfano, germanium Ge, selenium Se). Idadi ya elektroni ndani yao ni sawa na idadi ya mashimo. Uendeshaji semiconductors vile huitwa kumiliki.

Katika semiconductors ya ndani katika T= O K bendi ya valence imejaa kabisa, na bendi ya uendeshaji ni bure. Kwa hiyo, lini T= Kwa kukosekana kwa msisimko wa nje, semiconductors ya ndani hufanya kama dielectri. Halijoto inapoongezeka kutokana na msisimko wa joto, elektroni kutoka viwango vya juu vya bendi ya valence zitahamia kwenye bendi ya upitishaji. Wakati huo huo, inawezekana kwa elektroni za bendi ya valence kuhamia viwango vyake vya juu vilivyoachwa. Elektroni katika bendi ya uendeshaji na mashimo katika bendi ya valence itachangia conductivity ya umeme.

Nishati inayohitajika kuhamisha elektroni kutoka kwa bendi ya valence hadi bendi ya uendeshaji inaitwa nishati ya uanzishaji conductivity mwenyewe.

Wakati uwanja wa umeme wa nje unatumika kwa fuwele, elektroni husogea dhidi ya shamba na kuunda mkondo wa umeme. Katika uwanja wa nje, wakati elektroni ya jirani ya valence inapohamishwa mahali pa wazi, shimo "hupigwa" mahali pake. Kama matokeo, shimo, kama elektroni ambayo imepita kwenye bendi ya upitishaji, itasonga kwenye fuwele, lakini kwa mwelekeo ulio kinyume na harakati ya elektroni. Hapo awali, chembe yenye chaji chanya sawa na thamani kamili malipo ya elektroni. Kutoa hesabu kwa kitendo kwenye malipo ya msingi Sehemu ya ndani ya fuwele kwa mashimo huanzisha dhana ya wingi wa ufanisi w*. Kwa hiyo, wakati wa kutatua matatizo, tunaweza kudhani kwamba shimo yenye molekuli yenye ufanisi huenda tu chini ya ushawishi wa shamba moja la nje.

Katika uwanja wa nje, mwelekeo wa kasi ya elektroni na mashimo ni kinyume, lakini sasa umeme wanaounda una mwelekeo sawa - mwelekeo wa shamba la umeme. Kwa hivyo, msongamano wa sasa wakati wa conductivity ya ndani ya semiconductor ni jumla ya msongamano wa sasa wa elektroni katika e na mashimo kwa d:

Uendeshaji wa umeme o ni sawia na idadi ya wabebaji, ambayo inamaanisha inaweza kuthibitishwa kuwa kwa semiconductors ya ndani.

na inategemea halijoto kulingana na sheria ya kielelezo. Mchango wa o ya elektroni na mashimo ni tofauti, ambayo inaelezwa na tofauti katika wingi wao wa ufanisi.

Kwa joto la juu kiasi, conductivity ya ndani inatawala katika semiconductors zote. Vinginevyo, mali ya umeme ya semiconductor imedhamiriwa na uchafu (atomi za vitu vingine), halafu tunazungumza juu ya conductivity ya uchafu. Conductivity ya umeme itajumuisha conductivities asili na uchafu.

Semiconductors ya uchafu huitwa semiconductors, atomi za kibinafsi ambazo hubadilishwa na uchafu. Mkusanyiko wa elektroni na mashimo ndani yao hutofautiana kwa kiasi kikubwa. Uchafu ambao hutoa elektroni huitwa wafadhili. Uchafu unaokamata elektroni kutoka kwa bendi ya valence huitwa wapokeaji.

Kama matokeo ya kuanzishwa kwa uchafu katika eneo lililokatazwa, ziada inaruhusiwa viwango vya elektroniki nishati ziko kwenye pengo la bendi karibu na au chini ya bendi ya upitishaji ( viwango vya wafadhili), au juu ya bendi ya valence ( viwango vya kukubalika). Hii huongeza kwa kiasi kikubwa conductivity ya umeme ya semiconductors.

Katika semiconductors ya aina ya i (kutoka Kiingereza, hasi - hasi) na uchafu wa wafadhili, inagunduliwa. utaratibu wa upitishaji wa kielektroniki. Conductivity ndani yao inahakikishwa na elektroni za ziada za uchafu, valency ambayo ni kitengo kimoja kikubwa kuliko valence ya atomi kuu.

Katika semiconductors za aina ya p (kutoka Kiingereza, chanya - chanya) na uchafu wa kikubali, inatambulika. utaratibu wa uendeshaji wa shimo. Conductivity ndani yao hutolewa na mashimo kutokana na kuanzishwa kwa uchafu, valence ambayo ni moja chini ya valence ya atomi kuu.

Uthibitisho wa kushawishi wa ukweli wa mashimo mazuri hutolewa na Athari ya ukumbi(1879). Athari hii inajumuisha mwonekano wa chuma (au semiconductor) na msongamano wa sasa y, uliowekwa kwenye uwanja wa sumaku. KATIKA, uwanja wa ziada wa umeme katika mwelekeo wa perpendicular KATIKA na wewe. Matumizi ya athari ya Ukumbi (kipimo cha mgawo wa Ukumbi kulingana na dutu) inafanya uwezekano wa kuamua ukolezi na uhamaji wa flygbolag za malipo katika kondakta, na pia kuamua asili ya conductivity ya semiconductor (elektroniki au shimo).

Hivi sasa, katika maendeleo ya vifaa vya microelectronics, vifaa mbalimbali vya semiconductor huundwa, ikiwa ni pamoja na wale walio na bandgap pana. Chips za semiconductor zinachukuliwa kuwa moja ya maelekezo ya kuahidi microelectronics, kuruhusu kuundwa kwa kuaminika na ngumu kabisa kiutendaji nyaya zilizounganishwa.

Conductivity ya elektroniki metali kwa mara ya kwanza ilithibitishwa kwa majaribio na mwanafizikia wa Ujerumani E. Ricke mwaka wa 1901. Kupitia mitungi mitatu iliyong'olewa vizuri iliyoshinikizwa kwa kila mmoja - shaba, alumini na tena shaba - muda mrefu(kwa mwaka) kupita mkondo wa umeme. Gharama ya jumla iliyopitishwa wakati huu ilikuwa sawa na 3.5 · 10 6 C. Kwa kuwa wingi wa atomi za shaba na alumini hutofautiana kwa kiasi kikubwa kutoka kwa kila mmoja, wingi wa mitungi itabidi kubadilika sana ikiwa wabebaji wa malipo walikuwa ioni.

Matokeo ya majaribio yalionyesha kuwa wingi wa kila silinda ulibakia bila kubadilika. Athari ndogo tu za kupenya kwa metali zilipatikana kwenye nyuso za mawasiliano, ambazo hazikuzidi matokeo ya mgawanyiko wa kawaida wa atomi katika vitu vikali. Kwa hiyo, flygbolag za malipo ya bure katika metali sio ioni, lakini chembe ambazo ni sawa katika shaba na alumini. Elektroni pekee zinaweza kuwa chembe kama hizo.

Uthibitisho wa moja kwa moja na wa kushawishi wa uhalali wa dhana hii ulipatikana katika majaribio yaliyofanywa mwaka wa 1913 na L. I. Mandelstam na N. D. Papaleksi na mwaka wa 1916 na T. Stewart na R. Tolman.

Waya hupigwa kwenye coil, ambayo mwisho wake huuzwa kwa disks mbili za chuma zilizotengwa kutoka kwa kila mmoja (Mchoro 1). Galvanometer imeunganishwa kwenye mwisho wa disks kwa kutumia mawasiliano ya sliding.

Reel huletwa kwa mzunguko wa haraka na kisha kusimamishwa ghafla. Baada ya kuacha ghafla ya coil, chembe za kushtakiwa za bure zitasonga pamoja na conductor kwa inertia kwa muda fulani, na, kwa hiyo, sasa ya umeme itatokea kwenye coil. Ya sasa itakuwepo muda mfupi, kwa kuwa kutokana na upinzani wa kondakta, chembe za kushtakiwa zimepungua na harakati iliyoagizwa ya chembe huacha.

Mwelekeo wa sasa unaonyesha kwamba huundwa na harakati za chembe za kushtakiwa vibaya. Malipo yaliyohamishwa katika kesi hii ni sawa na uwiano wa malipo ya chembe zinazounda sasa kwa wingi wao, i.e. . Kwa hiyo, kwa kupima malipo ya kupita kupitia galvanometer wakati wa kuwepo kwa sasa katika mzunguko, iliwezekana kuamua uwiano. Ilibadilika kuwa sawa na 1.8 · 10 11 C / kg. Thamani hii inalingana na uwiano wa malipo ya elektroni kwa wingi wake, iliyopatikana mapema kutoka kwa majaribio mengine.

Kwa hivyo, umeme wa sasa katika metali huundwa na harakati za chembe za elektroni zilizoshtakiwa vibaya. Kulingana na nadharia ya kitamaduni ya elektroniki ya conductivity ya metali (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), kondakta wa chuma anaweza kuzingatiwa kama mfumo wa kimwili wa mchanganyiko wa mifumo miwili ndogo:

elektroni za bure na mkusanyiko wa ~ 10 28 m -3 na
ioni zenye chaji chanya zinazotetemeka karibu na nafasi ya msawazo.

Kuonekana kwa elektroni za bure kwenye fuwele kunaweza kuelezewa kama ifuatavyo.

Atomi zinapoungana katika kioo cha chuma, elektroni za nje zinazohusishwa kwa udhaifu zaidi na kiini cha atomi hutenganishwa na atomi (Mchoro 2). Kwa hivyo, ioni chanya ziko kwenye nodi za kimiani ya fuwele ya chuma, na elektroni ambazo hazihusiani na viini vya atomi zao husogea kwenye nafasi kati yao. Elektroni hizi zinaitwa bure au elektroni za upitishaji. Wanafanya harakati za machafuko sawa na harakati za molekuli za gesi. Kwa hiyo, mkusanyiko wa elektroni za bure katika metali huitwa gesi ya elektroni.

Ikiwa uwanja wa umeme wa nje unatumiwa kwa kondakta, basi harakati ya machafuko ya random ya elektroni za bure inasimamiwa na harakati iliyoelekezwa chini ya ushawishi wa nguvu za shamba za umeme, ambazo huzalisha sasa umeme. Kasi ya harakati ya elektroni zenyewe kwenye kondakta ni sehemu kadhaa za milimita kwa sekunde, lakini uwanja wa umeme unaotokea kwenye kondakta huenea kwa urefu wote wa kondakta kwa kasi karibu na kasi ya mwanga katika utupu (3·. 10 8 m/s).

Kwa kuwa sasa umeme katika metali huundwa na elektroni za bure, conductivity ya waendeshaji wa chuma inaitwa conductivity ya elektroniki.

Elektroni, chini ya ushawishi wa nguvu ya mara kwa mara inayofanya kutoka kwenye uwanja wa umeme, hupata kasi fulani ya mwendo ulioagizwa (inaitwa drift). Kasi hii haiongezeki zaidi kwa wakati, kwani wakati wa kugongana na ioni za kimiani ya kioo, uhamishaji wa elektroni. nishati ya kinetic alipewa katika uwanja wa umeme, kioo kimiani. Kwa makadirio ya kwanza, tunaweza kudhani kuwa kwa maana ya njia ya bure (huu ndio umbali ambao elektroni husafiri kati ya migongano miwili mfululizo na ioni), elektroni husogea kwa kuongeza kasi na kasi yake ya kuteleza huongezeka kulingana na wakati.

Wakati wa mgongano, elektroni huhamisha nishati ya kinetic kwenye kimiani ya kioo. Kisha huharakisha tena, na mchakato unarudia. Matokeo yake kasi ya wastani harakati iliyoagizwa ya elektroni ni sawia na nguvu ya shamba la umeme katika kondakta na, kwa hiyo, kwa tofauti ya uwezekano katika mwisho wa kondakta, tangu , ambapo l ni urefu wa kondakta.

Inajulikana kuwa nguvu ya sasa katika kondakta ni sawia na kasi ya harakati iliyoamuru ya chembe

ambayo ina maana, kwa mujibu wa uliopita, nguvu ya sasa ni sawia na tofauti ya uwezo katika mwisho wa kondakta: I ~ U. Hii ni maelezo ya ubora wa sheria ya Ohm kulingana na nadharia ya classical ya elektroniki ya conductivity ya metali.

Walakini, shida ziliibuka ndani ya nadharia hii. Kutoka kwa nadharia ilifuata hiyo resistivity inapaswa kuwa sawia na mzizi wa mraba wa joto (), wakati huo huo, kulingana na uzoefu, ~ T. Aidha, uwezo wa joto wa metali, kulingana na nadharia hii, unapaswa kuwa mkubwa zaidi kuliko uwezo wa joto wa fuwele za monatomiki. Kwa kweli, uwezo wa joto wa metali hutofautiana kidogo na uwezo wa joto wa fuwele zisizo za metali. Shida hizi zilishindwa tu katika nadharia ya quantum.

Mnamo mwaka wa 1911, mwanafizikia wa Uholanzi G. Kamerlingh-Onnes, akisoma mabadiliko ya upinzani wa umeme wa zebaki kwa joto la chini, aligundua kuwa kwa joto la karibu 4 K (yaani -269 ° C) kupinga hupungua kwa ghafla (Mchoro 3). ) hadi karibu sifuri. G. Kamerlingh-Onnes aliita jambo hili la kutoweka kwa upinzani wa umeme.

Baadaye ilibainika kuwa zaidi ya 25 vipengele vya kemikali- metali huwa superconductors kwa joto la chini sana. Kila mmoja wao ana yake mwenyewe joto muhimu mpito kwa hali na upinzani sifuri. Thamani yake ya chini kabisa ni ya tungsten - 0.012K, ya juu zaidi kwa niobium - 9K.

Superconductivity haizingatiwi tu ndani metali safi, lakini pia kwa wengi misombo ya kemikali na aloi. Zaidi ya hayo, vipengele vyenyewe vinavyounda kiwanja cha superconducting vinaweza kuwa sio superconductors. Kwa mfano, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb na wengine.

Dutu katika hali ya superconducting ina mali isiyo ya kawaida:

sasa umeme katika superconductor inaweza kuwepo kwa muda mrefu bila chanzo cha sasa;
Haiwezekani kuunda uwanja wa sumaku ndani ya dutu katika hali ya juu zaidi:
shamba la magnetic huharibu hali ya superconductivity. Superconductivity ni jambo linaloelezewa kutoka kwa mtazamo wa nadharia ya quantum. Maelezo yake changamano zaidi yanaenda mbali zaidi kozi ya shule fizikia.

Hadi hivi majuzi, matumizi makubwa ya superconductivity yalizuiliwa na shida zinazohusiana na hitaji la baridi hadi joto la chini sana, ambalo heliamu ya kioevu ilitumiwa. Walakini, licha ya ugumu wa vifaa, uhaba na gharama kubwa ya heliamu, tangu miaka ya 60 ya karne ya 20, sumaku za superconducting zimeundwa bila upotezaji wa joto kwenye vilima vyao, ambavyo vimefanya kivitendo. inawezekana kupokea mashamba yenye nguvu ya sumaku kwa wingi kiasi. Ni sumaku hizi zinazohitajika kuunda usakinishaji wa muunganisho wa thermonuclear unaodhibitiwa na kizuizi cha sumaku ya plasma, na kwa vichapishi vyenye nguvu vya chaji. Superconductors hutumiwa katika aina mbalimbali za vyombo vya kupimia, hasa katika vyombo vya kupima mashamba ya sumaku dhaifu sana kwa usahihi uliokithiri.

Hivi sasa, katika mistari ya nguvu, 10 - 15% ya nishati hutumiwa kushinda upinzani wa waya. Superconducting mistari au angalau pembejeo katika miji mikubwa italeta akiba kubwa. Sehemu nyingine ya matumizi ya superconductivity ni usafiri.

Kulingana na filamu zenye ubora wa juu, idadi ya vipengele vya kasi ya juu vya mantiki na uhifadhi wa kompyuta vimeundwa. Katika utafiti wa anga Utumiaji wa solenoids zinazofanya kazi zaidi ni kuahidi ulinzi wa mionzi ya wanaanga, uwekaji wa meli, kusimama kwao na mwelekeo, na kwa injini za roketi za plasma.

Hivi sasa, nyenzo za kauri zimeundwa ambazo zina superconductivity kwa joto la juu - zaidi ya 100K, yaani, kwa joto la juu ya kiwango cha kuchemsha cha nitrojeni. Uwezo wa baridi superconductors nitrojeni kioevu, ambayo ina utaratibu wa joto la juu la mvuke, hurahisisha kwa kiasi kikubwa na kupunguza gharama ya vifaa vyote vya cryogenic, na kuahidi athari kubwa ya kiuchumi.

Haishangazi mtu leo kwamba tunapogusa kitufe cha kubadili, tunaona balbu ya mwanga inakuja. Mara nyingi hatufikirii kuwa vitendo vyote kama hivyo vinatokana na safu nzima. Moja ya matukio haya ya kushangaza sana ni conductivity ya umeme ya metali, ambayo inahakikisha mtiririko wa sasa wa umeme.

Kuanza, labda unapaswa kuamua ni nini kinahusu. tunazungumzia. Kwa hivyo, conductivity ya umeme ni uwezo wa dutu kusambaza vitu mbalimbali kuwa na uwezo huu kwa viwango tofauti. Kulingana na kiwango cha conductivity ya umeme, vitu vinagawanywa katika conductors, semiconductors na dielectrics.

Ikiwa unatazama data ya majaribio iliyopatikana na watafiti wakati wa utafiti wa sasa wa umeme, inakuwa wazi kuwa conductivity ya metali ni ya juu zaidi. Hii pia inathibitishwa na mazoezi ya kila siku, wakati waya za chuma hutumiwa kupitisha sasa umeme. Vyuma kimsingi ni waendeshaji wa sasa wa umeme. Na maelezo ya hili yanaweza kupatikana katika nadharia ya elektroniki ya metali.

Kwa mujibu wa mwisho, conductor ni kimiani kioo, nodes ambayo ni ulichukua na atomi. Ziko karibu sana na zimeunganishwa na atomi za jirani zinazofanana, kwa hivyo zinabaki kivitendo kwenye nodi za kimiani za kioo. Vile vile haziwezi kusema juu ya elektroni ziko kwenye ganda la nje la atomi. Elektroni hizi ziko huru kusonga nasibu, na kutengeneza kile kinachoitwa "gesi ya elektroni." Conductivity ya elektroniki ya metali inategemea elektroni hizo.

Kama ushahidi kwamba asili ya sasa ya umeme ni kwa sababu ya elektroni, tunaweza kukumbuka jaribio la mwanafizikia wa Ujerumani Rikke, lililofanywa mnamo 1901. Alichukua mitungi miwili ya shaba na moja ya alumini yenye ncha zilizong'arishwa kwa uangalifu, akaweka moja juu ya nyingine na kupitisha mkondo wa umeme. Kulingana na majaribio, ikiwa conductivity ya umeme ya metali ni kutokana na atomi, basi uhamisho wa jambo ungetokea. Hata hivyo, baada ya kupitisha sasa ya umeme kwa mwaka, wingi wa mitungi haukubadilika.

Kutokana na matokeo haya ilihitimishwa kuwa conductivity ya umeme ya metali husababishwa na baadhi ya chembe asili katika conductors wote. Elektroni, ambayo tayari ilikuwa imegunduliwa na wakati huo, ilikuwa inafaa kwa jukumu hili. Baadaye, majaribio kadhaa ya busara yalifanyika, na wote walithibitisha kuwa sasa ya umeme husababishwa na harakati za elektroni.

Kulingana na mawazo ya kisasa Kuhusu metali, ioni ziko kwenye nodi zake, na elektroni husogea kwa uhuru kati yao. Hasa idadi kubwa ya Elektroni hizo hutoa conductivity ya juu ya umeme ya metali. Wakati kuna kiasi kidogo katika mwisho wa kondakta, elektroni hizi za bure huanza kusonga, ambayo husababisha mtiririko wa sasa wa umeme.

Ikumbukwe hapa kwamba conductivity inategemea sana joto. Kwa hivyo, kwa kuongezeka kwa joto, conductivity ya metali hupungua, na kinyume chake, huongezeka kwa kupungua kwa joto, hadi Wakati huo huo, ni lazima ikumbukwe kwamba ingawa metali zote zina conductivity, thamani yake ni tofauti kwa kila mmoja wao. Kati ya metali zinazotumiwa sana katika uhandisi wa umeme, shaba ina conductivity bora.

Kwa hivyo, nyenzo hapo juu inatoa wazo la nini conductivity ya umeme ya metali ni, inaelezea asili ya sasa ya umeme na inaelezea nini husababisha. Maelezo yanatolewa juu ya kimiani ya fuwele ya metali na ushawishi wa baadhi mambo ya nje kwa conductivity.

Conductivity ya umeme ya metali ni uwezo wa vipengele na miili kufanya kiasi fulani cha chembe chaji hasi kupitia wao wenyewe. Uendeshaji wa sasa wa umeme yenyewe unaelezewa kwa urahisi - kama matokeo ya ushawishi uwanja wa sumakuumeme juu ya chuma cha conductor, elektroni huharakisha harakati zake kiasi kwamba inapoteza uhusiano wake na atomi.

KATIKA Mfumo wa kimataifa Vipimo vya kipimo Conductivity ya umeme inaonyeshwa na barua S na inapimwa kwa siemens.

Kulingana na aina na asili ya flygbolag za malipo, conductivity inaweza kuwa elektroniki, ionic na shimo. Vyuma vina conductivity ya elektroniki. Conductivity vile pia ipo katika tabaka za juu za angahewa, ambapo msongamano wa dutu ni ya chini, kutokana na ambayo elektroni inaweza kusonga kwa uhuru bila kuchanganya na ioni chaji chanya.Elektroni za kioevu zina conductivity ya ionic. Ioni, ambazo ni flygbolag za malipo, huhamisha dutu wakati wa kusonga, na kusababisha kutolewa kwa electrodes. Utaratibu wa uendeshaji unawezekana, unaosababishwa na kupasuka kwa dhamana ya valence, na kusababisha kuonekana kwa tovuti isiyo na dhamana isiyo na dhamana. Mahali kama hiyo "tupu" na elektroni za dhamana zinazokosekana huitwa shimo. Kuonekana kwa shimo kwenye kioo cha conductor huunda fursa ya ziada kwa uhamisho wa malipo. Utaratibu huu, unafuatana na harakati za elektroni, huitwa conductivity ya shimo.

Conductivity ya umeme ya metali. Aina za conductivity ya umeme. Kiwango cha Fermi.

Aina za conductivity ya umeme

Kulingana na aina na asili ya flygbolag za malipo, conductivity inaweza kuwa elektroniki, ionic na shimo.

Vyuma vina conductivity ya elektroniki.

Dutu za kioevu kuwa na conductivity ya ionic. Ioni, ambazo ni flygbolag za malipo, husonga dutu wakati wa kusonga, na kusababisha kutolewa kwake kwenye electrodes.

Utaratibu unaowezekana wa uendeshaji unasababishwa na kupasuka kwa dhamana ya valence, na kusababisha kuonekana kwa tovuti iliyo wazi na kifungo kilichopotea. Mahali kama hiyo "tupu" na elektroni za dhamana zinazokosekana huitwa shimo. Kuonekana kwa shimo kwenye kioo cha conductor hujenga fursa ya ziada ya uhamisho wa malipo. Utaratibu huu, unafuatana na harakati za elektroni, huitwa conductivity ya shimo.

Inaweza kutumika kama makondakta wa sasa wa umeme yabisi, vinywaji, na chini ya hali zinazofaa, gesi.

Kondakta imara ni pamoja na metali, aloi za chuma na baadhi ya marekebisho ya kaboni.

Vyuma ni vitu vya plastiki vilivyo na mng'ao wa tabia ambao hufanya umeme na joto vizuri. Miongoni mwa vifaa vya vifaa vya elektroniki, metali huchukua moja ya maeneo muhimu zaidi.

Kondakta za kioevu ni pamoja na metali zilizoyeyuka na elektroliti mbalimbali. Kwa ujumla, kiwango cha kuyeyuka cha chuma ni cha juu, isipokuwa zebaki (Hg), ambayo ina kiwango cha kuyeyuka cha -39 ° C. Kwa hiyo, kwa joto la kawaida kama kioevu kondakta wa chuma Zebaki pekee inaweza kutumika. Galliamu (Ga) pia ina joto karibu na kawaida (29.8 ° C). Metali nyingine ni conductors kioevu tu kwa joto la juu au la juu.

Utaratibu wa kifungu cha sasa kwa njia ya metali katika imara na majimbo ya kioevu kutokana na harakati za elektroni za bure. Kwa hiyo, wanaitwa conductors na conductivity ya umeme au conductors ya aina ya kwanza.

Electrolytes, au kondakta wa aina ya pili, ni suluhu (hasa zenye maji) ya asidi, alkali na chumvi, na pia kuyeyuka. misombo ya ionic. Kifungu cha mikondo kupitia waendeshaji vile kinahusishwa na uhamisho pamoja na malipo ya umeme sehemu za molekuli (ions). Matokeo yake, muundo wa electrolyte hubadilika hatua kwa hatua, na bidhaa za electrolysis hutolewa kwenye electrodes.

Gesi zote na mvuke, ikiwa ni pamoja na mvuke za chuma, hazifanyi sasa kwa nguvu za chini za shamba la umeme. Hata hivyo, ikiwa nguvu ya shamba ni ya juu kuliko thamani fulani muhimu ambayo inahakikisha mwanzo wa athari na picha, basi gesi inaweza kuwa kondakta na conductivity ya elektroniki na ionic. Gesi iliyoainishwa sana na idadi sawa ya elektroni na ioni chanya kwa ujazo wa kitengo inawakilisha njia ya usawa inayoitwa plasma.

Nadharia ya classical ya elektroni ya metali, iliyotengenezwa na Drude na Lorentz, inategemea wazo la gesi ya elektroni inayojumuisha elektroni za bure. Sifa za gesi ya elektroni zinahusishwa gesi bora, i.e. harakati za elektroni hutii sheria za takwimu za classical

Ikiwa voltage ya nje inatumika, elektroni zitapokea kasi ya ziada ya harakati za mwelekeo katika mwelekeo nguvu kazi mashamba, kutokana na ambayo sasa ya umeme hutokea.

Katika mchakato wa mwendo ulioelekezwa, elektroni hugongana na atomi kwenye tovuti za kimiani. Katika kesi hii, kasi ya harakati hupungua, na kisha huharakisha chini ya ushawishi wa uwanja wa umeme:

Uwepo wa elektroni za bure pia huamua conductivity ya juu ya mafuta ya metali. Kwa kuwa katika mwendo unaoendelea, elektroni hugongana kila mara na ioni na kubadilishana nishati nazo. Kwa hiyo, vibrations ya ions, kuongezeka kwa sehemu fulani ya chuma kutokana na inapokanzwa, hupitishwa mara moja kwa ions jirani, kutoka kwao hadi ijayo, nk, na hali ya joto ya chuma hutolewa haraka; molekuli nzima ya chuma inachukua joto sawa.

Uendeshaji wa joto unaweza kufafanuliwa kama mali ya dutu kufanya (kusambaza) mtiririko wa joto chini ya ushawishi wa tofauti ya joto ambayo haibadilika kwa muda.

Nishati ya Fermi E F - thamani ya juu nishati ambayo elektroni inaweza kuwa nayo katika halijoto ya sifuri kabisa. Nishati ya Fermi inalingana na maadili uwezo wa kemikali gesi ya fermion saa T =0 K, yaani, kiwango cha Fermi cha elektroni kina jukumu la kiwango cha uwezo wa kemikali kwa chembe zisizochajiwa. Uwezo wake unaolingana j F = E F /e inayoitwa uwezo wa electrochemical.

Kwa hivyo, kiwango cha Fermi au nishati ya Fermi katika metali ni nishati ambayo elektroni inaweza kuwa nayo katika halijoto ya sifuri kabisa. Wakati chuma kinapokanzwa, elektroni zingine ziko karibu na kiwango cha Fermi husisimka (kwa sababu ya nishati ya joto, ambayo thamani yake ni karibu. kT) Lakini kwa joto lolote kwa kiwango kilicho na nishati inayolingana na kiwango cha Fermi, uwezekano wa kujaza ni 1/2. Viwango vyote vilivyo chini ya kiwango cha Fermi vina uwezekano mkubwa wa 1/2 hujazwa na elektroni, na viwango vyote vilivyo juu ya kiwango cha Fermi vina uwezekano mkubwa wa 1/2 bure ya elektroni.

Kuwepo kwa nishati ya Fermi ni matokeo ya kanuni ya Pauli. Thamani ya nishati ya Fermi inategemea sana mali ya mfumo.