การนำไฟฟ้าของสารต่างๆ การนำไฟฟ้าของโลหะ

การนำไฟฟ้าของโลหะและเซมิคอนดักเตอร์

การนำไฟฟ้าของโลหะ

การคำนวณเชิงกลของควอนตัมที่สอดคล้องกันแสดงให้เห็นว่าในกรณีของตาข่ายคริสตัลในอุดมคติ อิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าจะไม่ได้รับความต้านทานใดๆ ในระหว่างการเคลื่อนที่ และค่าการนำไฟฟ้าของโลหะจะมีขนาดใหญ่อย่างไม่จำกัด อย่างไรก็ตาม โครงตาข่ายคริสตัลไม่เคยสมบูรณ์แบบ การละเมิดระยะเวลาที่เข้มงวดของขัดแตะนั้นเกิดจากการมีสิ่งเจือปนหรือตำแหน่งว่าง (เช่นการไม่มีอะตอมในไซต์) รวมถึงการสั่นสะเทือนทางความร้อนในขัดแตะ การกระเจิงของอิเล็กตรอนบนอะตอมและโฟตอนที่ไม่บริสุทธิ์ทำให้เกิดความต้านทานไฟฟ้าของโลหะ โลหะยิ่งบริสุทธิ์และอุณหภูมิยิ่งต่ำ ความต้านทานก็จะยิ่งต่ำลง

ความต้านทานไฟฟ้าของโลหะสามารถแสดงได้ดังนี้

ที่ไหน  นับ - ความต้านทานที่เกิดจากการสั่นสะเทือนความร้อนของขัดแตะ  ประมาณ- ความต้านทานเนื่องจากการกระเจิงของอิเล็กตรอนบนอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ ภาคเรียน  การนับจะลดลงตามอุณหภูมิที่ลดลงและกลายเป็นศูนย์ที่ T = 0K ภาคเรียน  ประมาณที่ความเข้มข้นเล็กน้อยของสิ่งสกปรกไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและรูปแบบที่เรียกว่า ความต้านทานตกค้างโลหะ (เช่น ความต้านทานที่โลหะมีที่ 0K)

ให้มีปริมาณโลหะต่อหน่วยปริมาตร n อิเล็กตรอนอิสระ- ลองเรียกความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนเหล่านี้กันดีกว่า ความเร็วดริฟท์ - ตามคำนิยาม

ในกรณีที่ไม่มีสนามภายนอก ความเร็วดริฟท์เท่ากับศูนย์ และ กระแสไฟฟ้าขาดอยู่ในโลหะ เมื่อทาภายนอก สนามไฟฟ้าความเร็วดริฟท์จะแตกต่างจากศูนย์ - กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในโลหะ ตามกฎหมาย โอห์มความเร็วดริฟท์มีจำกัดและเป็นสัดส่วนกับแรง
.

เป็นที่ทราบกันดีจากกลศาสตร์ว่าความเร็วของการเคลื่อนที่คงที่นั้นแปรผันตามแรงภายนอกที่กระทำต่อร่างกาย เอฟในกรณีที่นอกจากจะบังคับแล้ว - เอฟร่างกายถูกกระทำโดยแรงลากจากตัวกลางซึ่งเป็นสัดส่วนกับความเร็วของร่างกาย (ตัวอย่างคือการตกลงของลูกบอลเล็ก ๆ ในตัวกลางที่มีความหนืด) จากนี้เราสรุปได้ว่านอกจากความแรงแล้ว
การนำอิเล็กตรอนในโลหะถูกกระทำโดยแรง "แรงเสียดทาน" ซึ่งมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่

(ร-สัมประสิทธิ์สัดส่วน)

สมการการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน "เฉลี่ย" มีรูปแบบดังนี้

,

ที่ไหน ม * คือมวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอน สมการนี้ช่วยให้เราสามารถค้นหาค่าสถานะคงตัวได้ .

หากหลังจากสร้างสถานะคงที่แล้ว คุณปิดสนามภายนอก ความเร็วดริฟท์จะเริ่มลดลง และเมื่อถึงสภาวะสมดุลระหว่างอิเล็กตรอนกับโครงตาข่ายก็จะหายไป ให้เราค้นหากฎการลดความเร็วดริฟท์หลังจากปิดสนามภายนอก กำลังใส่
เราจะได้สมการ

เราคุ้นเคยกับสมการประเภทนี้ สารละลายมีรูปแบบ

,

ที่ไหน
-ค่าของความเร็วดริฟท์ในขณะที่ปิดสนาม

เป็นไปตามนั้นในช่วงเวลานั้น

ค่าความเร็วดริฟท์ลดลง จครั้งหนึ่ง. ดังนั้นปริมาณจึงแสดงถึงเวลาผ่อนคลายซึ่งเป็นลักษณะของกระบวนการสร้างสมดุลระหว่างอิเล็กตรอนและตาข่ายซึ่งถูกรบกวนจากการกระทำของสนามภายนอก .

จากสูตรสามารถเขียนได้ดังนี้

.

ค่าสถานะคงตัวของความเร็วดริฟท์สามารถหาได้โดยการทำให้ผลรวมของแรงเท่ากับศูนย์
และแรงเสียดทาน:

.

.

เราได้รับค่าสถานะคงตัวของความหนาแน่นกระแสโดยการคูณค่านี้ ต่อประจุอิเล็กตรอน - จและความหนาแน่นของอิเล็กตรอน n:

.

ปัจจัยสัดส่วนระหว่าง
แสดงถึงการนำไฟฟ้า  - ดังนั้น,

.

การแสดงออกแบบคลาสสิกสำหรับการนำไฟฟ้าของโลหะมีรูปแบบ

,

ที่ไหน   - เวลาเดินทางอิสระเฉลี่ยของอิเล็กตรอน ม - มวลอิเล็กตรอนธรรมดา (ไม่มีประสิทธิผล)

จากการเปรียบเทียบสูตร จะพบว่าเวลาผ่อนคลายเกิดขึ้นพร้อมกันตามลำดับความสำคัญกับเวลาในเส้นทางอิสระของอิเล็กตรอนในโลหะ

จากการพิจารณาทางกายภาพ คุณสามารถประมาณปริมาณที่รวมอยู่ในนิพจน์ได้ และด้วยเหตุนี้จึงคำนวณค่าการนำไฟฟ้าตามลำดับความสำคัญ  - ค่าที่ได้รับในลักษณะนี้สอดคล้องกับข้อมูลการทดลองที่ดี ตามข้อตกลงกับประสบการณ์ปรากฎว่า  การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามกฎหมาย 1/ ต- ให้เรานึกถึงสิ่งนั้น ทฤษฎีคลาสสิกให้สิ่งนั้น  สัดส่วนผกผัน
.

โปรดทราบว่าการคำนวณที่นำไปสู่สูตรมีความเหมาะสมเท่าเทียมกันสำหรับทั้งการตีความการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าในโลหะแบบคลาสสิกและการตีความเชิงกลควอนตัม ความแตกต่างระหว่างการตีความทั้งสองนี้มีดังต่อไปนี้ ในการพิจารณาแบบคลาสสิก สันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนทั้งหมดถูกรบกวนโดยสนามไฟฟ้าภายนอก ซึ่งแต่ละเทอมในสูตรจะได้รับการบวกเพิ่มในทิศทาง

ตรงข้าม - ในการตีความเชิงกลควอนตัม เราต้องคำนึงว่ามีเพียงอิเล็กตรอนที่ครอบครองสถานะใกล้กับระดับเฟอร์มีเท่านั้นที่ถูกรบกวนจากสนามและเปลี่ยนความเร็ว อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับลึกจะไม่ถูกรบกวนจากสนามไฟฟ้า และการมีส่วนร่วมของพวกมันต่อผลรวมจะไม่เปลี่ยนแปลง นอกจากนี้ ตามการตีความแบบดั้งเดิม ตัวส่วนของสูตรควรมีมวลปกติของอิเล็กตรอน มในการตีความเชิงกลควอนตัม ต้องใช้มวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอนแทนมวลปกติ ม * - กรณีนี้เป็นการรวมตัวกันของกฎทั่วไปซึ่งความสัมพันธ์ที่ได้รับในการประมาณอิเล็กตรอนอิสระนั้นถูกต้องสำหรับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในสนามคาบของโครงตาข่ายหากมวลที่แท้จริงของอิเล็กตรอนถูกแทนที่ด้วยพวกมัน ม มวลที่มีประสิทธิภาพ ม * .

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด

ที่อุณหภูมิประมาณเคลวินหลายค่า ความต้านทานไฟฟ้าของโลหะและโลหะผสมจำนวนหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นสารศูนย์โดยฉับพลัน และเปลี่ยนเป็น สถานะตัวนำยิ่งยวด- เรียกว่าอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้ อุณหภูมิวิกฤตและถูกกำหนดไว้ ตเค ค่าที่สังเกตได้สูงสุด ต k คือ  20 K

ความเป็นตัวนำยิ่งยวดสามารถสังเกตได้จากการทดลองได้สองวิธี:

1) รวมอยู่ทั่วไป วงจรไฟฟ้าลิงค์ตัวนำยิ่งยวด ในช่วงเวลาของการเปลี่ยนไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด ความต่างศักย์ที่ปลายลิงค์นี้จะกลายเป็นศูนย์

2) โดยการวางวงแหวนของตัวนำยิ่งยวดไว้ในสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับวงแหวนนั้น หลังจากทำให้วงแหวนด้านล่างเย็นลงแล้วให้ปิดสนาม ส่งผลให้มีกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องเกิดขึ้นภายในวงแหวน กระแสไฟฟ้าหมุนเวียนในวงแหวนดังกล่าวอย่างไม่มีกำหนด

นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ G. Kamerlingh Onnes ผู้ค้นพบปรากฏการณ์ของความเป็นตัวนำยิ่งยวด แสดงให้เห็นสิ่งนี้โดยการขนส่งวงแหวนตัวนำยิ่งยวดที่มีกระแสไหลผ่านจากไลเดนไปยังเคมบริดจ์ ในการทดลองจำนวนหนึ่ง พบว่าไม่มีการลดทอนกระแสไฟในวงแหวนตัวนำยิ่งยวดเป็นเวลาประมาณหนึ่งปี ในปีพ.ศ. 2502 คอลลินส์รายงานว่าเขาสังเกตว่ากระแสน้ำไม่ลดลงเป็นเวลาสองปีครึ่ง

นอกจากการไม่มีตัวตนแล้ว ความต้านทานไฟฟ้าสถานะของตัวนำยิ่งยวดนั้นมีลักษณะเฉพาะคือสนามแม่เหล็กไม่ทะลุเข้าไปในความหนาของตัวนำยิ่งยวด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ไมสเนอร์เอฟเฟ็กต์- หากตัวอย่างที่เป็นตัวนำยิ่งยวดถูกทำให้เย็นลงขณะวางไว้ในสนามแม่เหล็ก ในขณะที่เปลี่ยนเป็นสถานะตัวนำยิ่งยวด สนามจะถูกผลักออกจากตัวอย่าง และการเหนี่ยวนำแม่เหล็กในตัวอย่างจะกลายเป็นศูนย์ อย่างเป็นทางการ เราสามารถพูดได้ว่าตัวนำยิ่งยวดมีการซึมผ่านของแม่เหล็กเป็นศูนย์ (  = 0) สารด้วย  < 1 เรียกว่าวัสดุแม่เหล็ก ดังนั้นตัวนำยิ่งยวดจึงเป็นไดแม่เหล็กในอุดมคติ

สนามแม่เหล็กภายนอกที่แรงเพียงพอจะทำลายสถานะของตัวนำยิ่งยวด ค่าของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า สนามวิกฤติและถูกกำหนดไว้ บีเค ความหมาย บี k ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิตัวอย่าง ที่อุณหภูมิวิกฤต บี k = 0 โดยอุณหภูมิจะลดลง บี k เพิ่มขึ้น มีแนวโน้มว่าจะ - ค่าของสนามวิกฤติที่อุณหภูมิศูนย์ มุมมองโดยประมาณของการพึ่งพานี้จะแสดงในรูปที่ 1

หากเราขยายกระแสที่ไหลผ่านตัวนำยิ่งยวดที่เชื่อมต่อกับวงจรทั่วไปแล้วจะเป็นค่ากระแส ฉัน k สถานะตัวนำยิ่งยวดถูกทำลาย ค่าปัจจุบันนี้เรียกว่า กระแสวิกฤติ- ความหมาย ฉัน k ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ รูปแบบของการพึ่งพาอาศัยกันนี้คล้ายกับการพึ่งพาอาศัยกัน บีเคจาก ต(ดูรูปที่ 1)

ตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่พบผลกระทบเชิงกลของควอนตัมในระดับจุลภาค แต่ในขนาดมหภาคขนาดใหญ่ ทฤษฎีตัวนำยิ่งยวดถูกสร้างขึ้นในปี 1957 โดย J. Bardeen, L. Cooper และ J. Schrieffer มันถูกเรียกโดยย่อว่าทฤษฎี BCS ทฤษฎีนี้ซับซ้อนมาก ดังนั้นเราจึงถูกบังคับให้จำกัดตนเองให้นำเสนอในระดับหนังสือวิทยาศาสตร์ยอดนิยม ซึ่งดูเหมือนจะไม่สามารถตอบสนองผู้อ่านที่มีวิจารณญาณได้เต็มที่

คำตอบสำหรับความเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นอยู่ที่ความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนในโลหะนอกเหนือจากการผลักกันของคูลอมบ์แล้วยังสัมผัสกับแรงดึงดูดซึ่งกันและกันแบบพิเศษซึ่งในสถานะตัวนำยิ่งยวดจะมีชัยเหนือการผลักกัน เป็นผลให้อิเล็กตรอนนำรวมกันเป็นสิ่งที่เรียกว่า คู่คูเปอร์- อิเล็กตรอนในคู่ดังกล่าวมีทิศทางการหมุนที่ตรงกันข้าม ดังนั้นทั้งคู่จึงมีการหมุนเป็นศูนย์และเป็นโบซอน โบซอนมีแนวโน้มที่จะสะสมเป็นส่วนใหญ่ สถานะพลังงานซึ่งค่อนข้างยากที่จะถ่ายโอนไปสู่สภาวะที่ตื่นเต้น ผลที่ตามมาคือคู่คูเปอร์ซึ่งเคลื่อนไหวประสานกันจะคงอยู่ในสถานะนี้ตลอดไป การเคลื่อนที่ที่ประสานกันของคู่นี้คือกระแสตัวนำยิ่งยวด

ให้เราอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมนี้ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในโลหะทำให้โครงตาข่ายคริสตัลที่ประกอบด้วยไอออนบวกเปลี่ยนรูป (โพลาไรซ์) จากการเสียรูปนี้ อิเล็กตรอนพบว่าตัวเองถูกล้อมรอบด้วย "เมฆ" ที่มีประจุบวก ซึ่งเคลื่อนที่ไปตามโครงตาข่ายพร้อมกับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนและเมฆที่อยู่รอบๆ ก่อตัวเป็นระบบที่มีประจุบวก โดยที่อิเล็กตรอนตัวอื่นจะถูกดึงดูดเข้าไป ดังนั้นโครงตาข่ายไอออนิกจึงมีบทบาทเป็นตัวกลางระดับกลางซึ่งการมีอยู่ของสิ่งนั้นจะนำไปสู่การดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอน

ในภาษากลศาสตร์ควอนตัม การอธิบายแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนระหว่างอิเล็กตรอนของควอนตัม - โฟนอนที่กระตุ้นด้วยตาข่าย อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในโลหะจะรบกวนโหมดการสั่นสะเทือนของโครงตาข่ายและกระตุ้นโฟนันส์ พลังงานกระตุ้นจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนตัวอื่นซึ่งดูดซับโฟนอน อันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนโฟนันทำให้เกิดปฏิกิริยาเพิ่มเติมระหว่างอิเล็กตรอนซึ่งมีลักษณะของแรงดึงดูด ที่ อุณหภูมิต่ำการดึงดูดสารที่เป็นตัวนำยิ่งยวดนี้เกินกว่าแรงผลักของคูลอมบ์

ปฏิกิริยาที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนโฟนันจะเด่นชัดที่สุดสำหรับอิเล็กตรอนที่มีโมเมนตาและการหมุนตรงข้ามกัน เป็นผลให้อิเล็กตรอนสองตัวดังกล่าวรวมกันเป็นคู่คูเปอร์ คู่นี้ไม่ควรคิดว่าเป็นอิเล็กตรอนสองตัวที่เกาะติดกัน ในทางตรงกันข้ามระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนของคู่นั้นใหญ่มากประมาณ 10 -4 ซม. เช่น มีขนาดสี่ลำดับที่มากกว่าระยะห่างระหว่างอะตอมในคริสตัล คู่คูเปอร์ประมาณ 10 6 คู่ซ้อนทับกันอย่างเห็นได้ชัดนั่นคือ ครอบครองปริมาตรทั้งหมด

อิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าไม่ได้ทั้งหมดจะรวมกันเป็นคู่คูเปอร์ ที่อุณหภูมิ ตแตกต่างจาก ศูนย์สัมบูรณ์มีความเป็นไปได้อยู่บ้างที่คู่นี้จะถูกทำลาย ดังนั้น เมื่อมีคู่กัน จึงมีอิเล็กตรอน "ปกติ" เคลื่อนที่ผ่านคริสตัลในลักษณะปกติเสมอ ยิ่งใกล้. ต และ ตเค ยิ่งสัดส่วนของอิเล็กตรอนปกติมากขึ้น เปลี่ยนเป็น 1 ที่ ต = ตเค - ดังนั้นที่อุณหภูมิสูงกว่า ต k สถานะตัวนำยิ่งยวดเป็นไปได้

การก่อตัวของคู่คูเปอร์นำไปสู่การปรับโครงสร้างสเปกตรัมพลังงานของโลหะ เพื่อความตื่นเต้น ระบบอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งอยู่ในสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดจำเป็นต้องทำลายอย่างน้อย 1 คู่ ซึ่งต้องใช้พลังงานเท่ากับพลังงานยึดเหนี่ยว อี sv ของอิเล็กตรอนเป็นคู่ พลังงานนี้แสดงถึง ปริมาณขั้นต่ำพลังงานที่สามารถดูดซับได้โดยระบบอิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวด ดังนั้นในสเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนในสถานะตัวนำยิ่งยวดจึงมีช่องว่างความกว้าง อีเซนต์. ตั้งอยู่ในภูมิภาคระดับแฟร์มี ห้ามใช้ค่าพลังงานที่อยู่ในช่องว่างนี้ การมีอยู่ของช่องว่างได้รับการพิสูจน์แล้วจากการทดลอง

ดังนั้น สถานะตื่นเต้นของระบบอิเล็กทรอนิกส์ในสถานะตัวนำยิ่งยวดจึงถูกแยกออกจากสถานะพื้นด้วยช่องว่างพลังงานความกว้าง อีเซนต์. นั่นเป็นเหตุผล การเปลี่ยนแปลงควอนตัมระบบนี้จะเป็นไปไม่ได้เสมอไป ที่ความเร็วการเคลื่อนที่ต่ำ (สอดคล้องกับความแรงของกระแสน้อยกว่า ฉัน k) ระบบอิเล็กทรอนิกส์จะตื่นเต้น และนั่นหมายถึงการเคลื่อนไหวที่ปราศจากการเสียดสี เช่น โดยไม่มีความต้านทานไฟฟ้า

ความกว้างของช่องว่างพลังงาน อี sv ลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และกลายเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิวิกฤติ ตเค ดังนั้นคูเปอร์ทุกคู่จึงถูกทำลาย และสารจะเข้าสู่สถานะปกติ (ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด)

จากทฤษฎีความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นไปตามที่ฟลักซ์แม่เหล็ก Ф เกี่ยวข้องกับวงแหวนตัวนำยิ่งยวด (หรือทรงกระบอก) ซึ่งกระแสหมุนเวียนต้องเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของ
, ที่ไหน ถาม - ค่าบริการของผู้ให้บริการปัจจุบัน

.

ขนาด

แสดงถึง ควอนตัมฟลักซ์แม่เหล็ก.

การหาปริมาณฟลักซ์แม่เหล็กถูกค้นพบโดยการทดลองในปี 1961 โดย Deaver และ Fairbank และเป็นอิสระโดย Doll และ Nebauer ในการทดลองของ Deaver และ Fairbank ตัวอย่างคือแถบดีบุกที่เกาะอยู่บนลวดทองแดงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 -3 ซม. ลวดนี้ทำหน้าที่เป็นเฟรมและไม่ผ่านเข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด ค่าที่วัดได้ของฟลักซ์แม่เหล็กในการทดลองเหล่านี้เช่นเดียวกับในการทดลองของ Doll และ Nebauer กลายเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของค่าที่ ถามคุณต้องรับประจุของอิเล็กตรอนเป็นสองเท่า ( ถาม = - 2จ) - สิ่งนี้ทำหน้าที่เป็นการยืนยันเพิ่มเติมถึงความถูกต้องของทฤษฎี BCS ตามที่พาหะปัจจุบันในตัวนำยิ่งยวดคือคู่คูเปอร์ซึ่งมีประจุเท่ากับประจุรวมของอิเล็กตรอนสองตัวนั่นคือ - 2จ.

เซมิคอนดักเตอร์

สารกึ่งตัวนำได้แก่ สารที่เป็นผลึกโดยที่แถบเวเลนซ์เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนอย่างสมบูรณ์ และช่องว่างของแถบมีขนาดเล็ก (สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ภายในไม่เกิน 1 eV) เซมิคอนดักเตอร์เป็นหนี้ชื่อของพวกเขาเนื่องจากในแง่ของการนำไฟฟ้าพวกมันมีตำแหน่งตรงกลางระหว่างโลหะและไดอิเล็กทริก อย่างไรก็ตามสิ่งที่เป็นลักษณะเฉพาะของพวกเขาไม่ใช่ค่าการนำไฟฟ้า แต่เป็นความจริงที่ว่าค่าการนำไฟฟ้าของมันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (โปรดจำไว้ว่าสำหรับโลหะนั้นจะลดลง)

แยกแยะ เป็นเจ้าของและ สิ่งสกปรกเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งรวมถึงเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ทางเคมี คุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่บริสุทธิ์จะถูกกำหนดโดยสิ่งเจือปนที่ได้รับการประดิษฐ์ขึ้นมาซึ่งอยู่ในนั้น

เมื่อพิจารณาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ แนวคิดเรื่อง "รู" มีบทบาทสำคัญ ให้เราอาศัยการชี้แจงความหมายทางกายภาพของแนวคิดนี้

ในเซมิคอนดักเตอร์จากภายในที่ศูนย์สัมบูรณ์ ทุกระดับของแถบวาเลนซ์จะเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนอย่างสมบูรณ์ และไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ในแถบการนำไฟฟ้า (รูปที่ 2a) สนามไฟฟ้าไม่สามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้าได้ ดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์ภายในจึงทำงานเหมือนไดอิเล็กทริกที่ศูนย์สัมบูรณ์ ที่อุณหภูมิอื่นที่ไม่ใช่ 0 K อิเล็กตรอนบางตัวจากระดับบนของแถบวาเลนซ์จะผ่านไปอันเป็นผลมาจากการกระตุ้นด้วยความร้อนไปยังระดับล่างของแถบการนำไฟฟ้า (รูปที่ 2b) ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สนามไฟฟ้ามีโอกาสที่จะเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนที่อยู่ในแถบการนำไฟฟ้า นอกจากนี้ เนื่องจากการก่อตัวของระดับว่างในแถบเวเลนซ์ อิเล็กตรอนในแถบนี้ยังสามารถเปลี่ยนความเร็วได้ภายใต้อิทธิพลของสนามภายนอก เป็นผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์กลายเป็นไม่เป็นศูนย์

ปรากฎว่าเมื่อมีระดับว่าง พฤติกรรมของอิเล็กตรอนแถบเวเลนซ์สามารถแสดงเป็นการเคลื่อนที่ของควอซิพาร์ติเคิลที่มีประจุบวก เรียกว่า "โฮล" จากข้อเท็จจริงที่ว่าค่าการนำไฟฟ้าของแถบเวเลนซ์ที่เติมเต็มนั้นเป็นศูนย์ จึงเป็นผลรวมของความเร็วของอิเล็กตรอนทั้งหมดในแถบนั้นเท่ากับศูนย์

ให้เราแยกความเร็วออกจากจำนวนนี้ เคอิเล็กตรอน

จากความสัมพันธ์ที่ได้รับ จะได้ว่า ถ้า เคอิเล็กตรอนตัวที่ 1 หายไปในแถบวาเลนซ์ จากนั้นผลรวมของความเร็วของอิเล็กตรอนที่เหลือจะเท่ากับ
- ดังนั้นอิเล็กตรอนทั้งหมดนี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าเท่ากับ
- ดังนั้นกระแสผลลัพธ์จึงเท่ากับกระแสที่จะถูกสร้างขึ้นโดยอนุภาคที่มีประจุ + จซึ่งมีความเร็วเท่ากับอิเล็กตรอนที่หายไป อนุภาคจินตภาพนี้คือรู

แนวคิดเรื่องหลุมสามารถบรรลุได้ด้วยวิธีต่อไปนี้ ระดับว่างจะเกิดขึ้นที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์ ดังที่ได้แสดงไปแล้ว มวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอนที่อยู่ด้านบนของแถบพลังงานจะเป็นลบ ไม่มีอนุภาคที่มีประจุลบ (- จ) และมวลลบ ม * เทียบเท่ากับการมีอยู่ของอนุภาคด้วย ประจุบวก (+จ) และมวลบวก | ม * | เหล่านั้น. หลุม

ดังนั้น ในแง่ของคุณสมบัติทางไฟฟ้า แถบเวเลนซ์ที่มีสถานะว่างจำนวนเล็กน้อยจะเทียบเท่ากับแถบว่างที่มีควอซิพาร์ติคัลที่มีประจุบวกจำนวนเล็กน้อยเรียกว่ารู

เราเน้นย้ำว่าการเคลื่อนที่ของรูไม่ใช่การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุบวกจริงบางอนุภาค แนวคิดเรื่องรูสะท้อนถึงธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของระบบมัลติอิเล็กตรอนทั้งหมดในเซมิคอนดักเตอร์

ค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์

ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากระดับบนของแถบเวเลนซ์ไปเป็นแถบการนำไฟฟ้า ในกรณีนี้ พาหะปัจจุบันจำนวนหนึ่งจะปรากฏในแถบการนำไฟฟ้า - อิเล็กตรอน ซึ่งครอบครองระดับใกล้กับด้านล่างสุดของแถบ ในเวลาเดียวกัน ในแถบวาเลนซ์ จำนวนตำแหน่งที่เท่ากันที่ระดับบนจะว่างลง โดยที่ ส่งผลให้มีรูปรากฏขึ้น

การกระจายตัวของอิเล็กตรอนเหนือระดับของแถบเวเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าอธิบายได้โดยฟังก์ชันแฟร์มี-ดิแรก การกระจายนี้สามารถอธิบายได้อย่างชัดเจนโดยการวาดภาพดังในรูป กราฟของฟังก์ชันการกระจายพร้อมแผนภาพโซนพลังงาน

การคำนวณที่สอดคล้องกันแสดงให้เห็นว่าสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ภายใน ค่าของระดับ Fermi ที่วัดจากด้านบนของแถบเวเลนซ์จะเท่ากับ

,

ที่ไหน  อีคือความกว้างของแบนด์แกป และ มด*ฉัน ม e * คือมวลประสิทธิผลของรูและอิเล็กตรอนที่อยู่ในแถบการนำไฟฟ้า โดยปกติแล้วเทอมที่สองจะมีค่าเล็กน้อย และเราสามารถสรุปได้
- ซึ่งหมายความว่าระดับเฟอร์มีจะอยู่ตรงกลางช่องว่างของแถบความถี่ ดังนั้น ปริมาณของอิเล็กตรอนที่ผ่านเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า อี - อี เอฟแตกต่างเล็กน้อยจากช่องว่างครึ่งวง ระดับแถบการนำไฟฟ้าอยู่ที่ส่วนท้ายของเส้นโค้งการกระจาย ดังนั้นความน่าจะเป็นของการเติมอิเล็กตรอนจึงสามารถพบได้โดยใช้สูตร (1.23) ของย่อหน้าก่อนหน้า โดยใส่สูตรนี้ลงไป
เราเข้าใจแล้ว

.

จำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายโอนไปยังแถบการนำไฟฟ้า และจำนวนรูที่เกิดขึ้น จะเป็นสัดส่วนกับความน่าจะเป็น อิเล็กตรอนและรูเหล่านี้เป็นพาหะในปัจจุบัน เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าแปรผันตามจำนวนตัวพา จึงต้องเป็นสัดส่วนกับการแสดงออกด้วย ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำภายในเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามกฎหมาย

,

ที่ไหน  อี- ความกว้างของช่องว่างวงดนตรี  0 - ปริมาณที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิช้ากว่าเลขชี้กำลังมาก ดังนั้นเมื่อประมาณค่าแรกจึงถือเป็นค่าคงที่ได้

หากการขึ้นต่อกัน ln ถูกพล็อตบนกราฟ  จาก ตจากนั้นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ภายในจะได้เส้นตรงดังแสดงในรูปที่ 4 จากความชันของเส้นตรงนี้ คุณสามารถกำหนดช่องว่างของแถบ  ได้ อี.

เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปคือองค์ประกอบกลุ่ม IV ตารางธาตุ Mendeleev - เจอร์เมเนียมและซิลิคอน พวกมันก่อตัวเป็นโครงตาข่ายประเภทเพชร ซึ่งแต่ละอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ (คู่อิเล็กตรอน) โดยมีอะตอมข้างเคียงสี่อะตอมที่มีระยะห่างเท่ากัน ตามอัตภาพ การจัดเรียงอะตอมร่วมกันนี้สามารถแสดงได้ในรูปแบบของโครงสร้างแบนที่แสดงในรูปที่ 1 5. แก้วมัคพร้อมป้าย แสดงถึงกากอะตอมที่มีประจุบวก (เช่น ส่วนหนึ่งของอะตอมที่เหลืออยู่หลังจากการเอาเวเลนซ์อิเล็กตรอนออก) วงกลมที่มีเครื่องหมาย - เวเลนซ์อิเล็กตรอน เส้นคู่ - พันธะโควาเลนต์

เมื่อเพียงพอ อุณหภูมิสูงการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนสามารถแยกแต่ละคู่ออกจากกัน ส่งผลให้มีอิเล็กตรอนตัวเดียวหลุดออกมา สถานที่ที่อิเล็กตรอนละทิ้งจะไม่เป็นกลางและมีประจุบวกส่วนเกินปรากฏขึ้นในบริเวณใกล้เคียง , เช่น. หลุมเกิดขึ้น (ในรูปที่ 5 แสดงเป็นวงกลมประ) อิเล็กตรอนจากคู่ข้างเคียงคู่หนึ่งสามารถกระโดดมายังสถานที่แห่งนี้ได้ เป็นผลให้หลุมเริ่มเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ คริสตัลเช่นเดียวกับอิเล็กตรอนอิสระ

เมื่ออิเล็กตรอนอิสระมาบรรจบกับรูก็จะเกิดพวกมัน รวมตัวกันอีกครั้ง(เชื่อมต่อ). ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนจะทำให้ประจุบวกส่วนเกินที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงกับหลุมเป็นกลาง และสูญเสียอิสระในการเคลื่อนที่จนกว่าจะได้รับพลังงานเพียงพอจากตาข่ายคริสตัลเพื่อปลดปล่อยตัวเองอีกครั้ง การรวมตัวกันใหม่ส่งผลให้อิเล็กตรอนอิสระและรูหายไปพร้อมกัน ในแผนภาพระดับ กระบวนการรวมตัวกันใหม่สอดคล้องกับการเปลี่ยนอิเล็กตรอนจากแถบการนำไฟฟ้าไปเป็นระดับอิสระระดับใดระดับหนึ่งของแถบเวเลนซ์

ดังนั้น ในเซมิคอนดักเตอร์ที่อยู่ภายใน กระบวนการสองกระบวนการจึงเกิดขึ้นพร้อมๆ กัน นั่นคือ การสร้างอิเล็กตรอนและรูอิสระแบบคู่ และการรวมตัวกันอีกครั้ง ซึ่งนำไปสู่การหายไปของอิเล็กตรอนและรูแบบคู่ ความน่าจะเป็นของกระบวนการแรกจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิ ความน่าจะเป็นของการรวมตัวกันใหม่เป็นสัดส่วนกับทั้งจำนวนอิเล็กตรอนอิสระและจำนวนรู ดังนั้น แต่ละอุณหภูมิจึงสอดคล้องกับความเข้มข้นของอิเล็กตรอนและรูในสมดุล ซึ่งจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิตามสัดส่วนของการแสดงออก

เมื่อไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก อิเล็กตรอนและรูนำไฟฟ้าจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม เมื่อเปิดสนาม การเคลื่อนไหวที่วุ่นวายจะถูกทับด้วยการเคลื่อนไหวที่ได้รับคำสั่ง: อิเล็กตรอนปะทะสนามและรูในทิศทางของสนาม ทั้งการเคลื่อนที่ของรูและอิเล็กตรอนทำให้เกิดการถ่ายโอนประจุไปตามคริสตัล ดังนั้นค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงจึงถูกกำหนดโดยตัวพาประจุของสัญญาณสองสัญญาณ - อิเล็กตรอนเชิงลบและรูบวก

โปรดทราบว่าที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ จะสังเกตค่าการนำไฟฟ้าภายในในเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้น อย่างไรก็ตาม ในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสิ่งเจือปน การนำไฟฟ้าประกอบด้วยการนำไฟฟ้าจากภายในและของเจือปน

การนำสิ่งเจือปนของเซมิคอนดักเตอร์

การนำสิ่งเจือปนจะเกิดขึ้นหากมีการเปลี่ยนอะตอมของเซมิคอนดักเตอร์บางส่วนที่โหนด ตาข่ายคริสตัลอะตอมที่มีความจุแตกต่างจากความจุของอะตอมหลัก รูปที่ 6 ตามอัตภาพแสดงโครงตาข่ายเจอร์เมเนียมที่มีส่วนผสมของอะตอมฟอสฟอรัสเพนตะวาเลนต์ ในการสร้างพันธะโควาเลนต์กับเพื่อนบ้าน อะตอมฟอสฟอรัสต้องการอิเล็กตรอนเพียงสี่ตัวเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ เวเลนซ์อิเล็กตรอนตัวที่ 5 จึงดูไม่จำเป็นและแยกออกจากอะตอมได้ง่ายเนื่องจากพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ก่อตัวเป็นอิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่

แตกต่างจากกรณีที่กล่าวถึงในย่อหน้าก่อนหน้า การก่อตัวของอิเล็กตรอนอิสระไม่ได้มาพร้อมกับการละเมิดพันธะโควาเลนต์ เช่น การก่อตัวของรู แม้ว่าประจุบวกส่วนเกินจะปรากฏในบริเวณใกล้เคียงกับอะตอมที่ไม่บริสุทธิ์ แต่มันก็เกาะติดกับอะตอมนี้และไม่สามารถเคลื่อนที่ไปรอบๆ โครงตาข่ายได้

ด้วยประจุนี้ อะตอมที่ไม่บริสุทธิ์จึงสามารถจับอิเล็กตรอนที่เข้ามาใกล้ได้ แต่พันธะระหว่างอิเล็กตรอนที่จับกับอะตอมจะเปราะบางและแตกหักง่ายอีกครั้งเนื่องจากการสั่นสะเทือนเนื่องจากความร้อนของโครงตาข่าย

ดังนั้นในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความเจือปนซึ่งมีความจุมากกว่าความจุของอะตอมหลักหนึ่งหน่วยจะมีพาหะกระแสไฟฟ้าเพียงประเภทเดียวเท่านั้น - อิเล็กตรอน ดังนั้นสารกึ่งตัวนำดังกล่าวจึงกล่าวกันว่ามีค่าการนำไฟฟ้าหรือเป็นสารกึ่งตัวนำ n- พิมพ์ (จากคำว่า เชิงลบ - เชิงลบ). อะตอมเจือปนที่จ่ายอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าเรียกว่า ผู้บริจาค.

ให้เราพิจารณาพฤติกรรมของการนำอิเล็กตรอนในโลหะในสถานะไม่สมดุลเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามภายนอกที่ใช้ กระบวนการดังกล่าวเรียกว่า ปรากฏการณ์การถ่ายโอน

ดังที่ทราบกันดีว่า การนำไฟฟ้า (การนำไฟฟ้า) o คือปริมาณที่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าเข้า กฎหมายท้องถิ่นโอห์ม: เจ - โออี(ดูสูตร (14.15) ตอนที่ 1) สารทั้งหมดตามลักษณะของการนำไฟฟ้าแบ่งออกเป็นสามประเภท: โลหะ สารกึ่งตัวนำ และไดอิเล็กทริก

คุณลักษณะเฉพาะ โลหะคือค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ - ค่าการนำไฟฟ้าลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น (ที่ความเข้มข้นคงที่ของพาหะปัจจุบัน) สาเหตุทางกายภาพความต้านทานไฟฟ้าในโลหะคือการกระเจิงของคลื่นอิเล็กตรอนโดยสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องของโครงตาข่าย เช่นเดียวกับโดยโฟนันส์

ที่สุด คุณสมบัติที่สำคัญ เซมิคอนดักเตอร์คือความสามารถในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติในช่วงที่กว้างมากภายใต้อิทธิพลของอิทธิพลต่างๆ เช่น อุณหภูมิ สนามไฟฟ้าและแม่เหล็ก แสง ฯลฯ ตัวอย่างเช่น ค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อถูกความร้อน

ที่ ต> 300 K ค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะ o ของวัสดุที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์แตกต่างกันไปในช่วงกว้างตั้งแต่ 10~ 5 ถึง 10 6 (Ohm m) -1 ในขณะที่โลหะ o มากกว่า 10 6 (Ohm m) -1

สารที่มีค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะต่ำอยู่ในลำดับของ 10~ 5 (โอห์ม ม.) -1 หรือน้อยกว่า โปรดดูที่ อิเล็กทริกการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมาก

ทฤษฎีควอนตัมนำไปสู่ ไปยังนิพจน์ต่อไปนี้สำหรับการนำไฟฟ้า โลหะ:

ที่ไหน n- ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระ เสื้อ - เวลาพักผ่อน; ท* -มวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอน

เวลาพักผ่อนอธิบายลักษณะกระบวนการสร้างสมดุลระหว่างอิเล็กตรอนและโครงตาข่ายซึ่งถูกรบกวน เช่น การรวมสนามภายนอกอย่างกะทันหัน อี.

คำว่า "อิเล็กตรอนอิสระ" หมายความว่าอิเล็กตรอนไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งใดเลย สนามพลัง- การเคลื่อนที่ของการนำอิเล็กตรอนในผลึกภายใต้อิทธิพลของ แรงภายนอก เอฟและแรงจากโครงตาข่ายคริสตัลในบางกรณีสามารถอธิบายได้ว่าเป็นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระซึ่งกระทำโดยแรงเท่านั้น เอฟ(กฎข้อที่สองของนิวตัน ดูสูตร (3.5) ตอนที่ 1) แต่มีมวลประสิทธิผล ท*,แตกต่างจากมวล เช่น.อิเล็กตรอนอิสระ

การคำนวณโดยใช้สมการ (30.18) แสดงว่าค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ โอ~1/ต.การทดลองยืนยันข้อสรุปนี้ ทฤษฎีควอนตัมในขณะที่ตามทฤษฎีคลาสสิก

โอ ~ ลิตร/เ

ใน เซมิคอนดักเตอร์ความเข้มข้นของพาหะเคลื่อนที่นั้นต่ำกว่าความเข้มข้นของอะตอมอย่างมาก และสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ แสง การฉายรังสีด้วยการไหลของอนุภาค การสัมผัสกับสนามไฟฟ้า หรือการแนะนำของสิ่งเจือปนในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย พาหะประจุในเซมิคอนดักเตอร์ในแถบการนำคืออิเล็กตรอน (อิเล็กตรอนการนำ) และในแถบวาเลนซ์ - quasiparticles ที่มีประจุบวก หลุมเมื่ออิเล็กตรอนหายไปจากแถบเวเลนซ์ไม่ว่าด้วยเหตุผลใดก็ตาม ว่ากันว่าได้ก่อตัวเป็นรู (สถานะว่าง) แนวคิดเรื่องรูและอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้าใช้เพื่ออธิบายระบบอิเล็กทรอนิกส์ของสารกึ่งตัวนำ กึ่งโลหะ และโลหะ

ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนและรูในเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับทั้งอุณหภูมิและความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่เกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้า และบนช่องว่างของแถบ A อี.

มีสารกึ่งตัวนำภายในและสารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์ มีเซมิคอนดักเตอร์เป็นของตัวเองเป็นสารกึ่งตัวนำบริสุทธิ์ทางเคมี (เช่น เจอร์เมเนียม Ge, ซีลีเนียม Se) จำนวนอิเล็กตรอนในนั้นเท่ากับจำนวนรู การนำไฟฟ้าสารกึ่งตัวนำดังกล่าวเรียกว่า เป็นเจ้าของ.

ในเซมิคอนดักเตอร์ที่แท้จริงที่ ต= O K แถบเวเลนซ์เต็มแล้ว และแถบการนำไฟฟ้าว่าง ดังนั้นเมื่อ ที=ในกรณีที่ไม่มีการกระตุ้นจากภายนอก เซมิคอนดักเตอร์ภายในจะมีพฤติกรรมเหมือนไดอิเล็กทริก เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเนื่องจากการกระตุ้นด้วยความร้อน อิเล็กตรอนจากระดับบนของแถบเวเลนซ์จะเคลื่อนที่ไปยังแถบการนำไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน ก็เป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนของแถบวาเลนซ์จะเคลื่อนที่ไปยังระดับบนที่ว่างไว้ อิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าและรูในแถบเวเลนซ์จะมีส่วนช่วยในการนำไฟฟ้า

เรียกว่าพลังงานที่จำเป็นในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า พลังงานกระตุ้นการนำไฟฟ้าของตัวเอง

เมื่อสนามไฟฟ้าภายนอกถูกจ่ายให้กับคริสตัล อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ต้านสนามและสร้างกระแสไฟฟ้า ในสนามภายนอก เมื่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้เคียงถูกย้ายไปยังตำแหน่งที่ว่าง รูจะถูก "สับ" เข้าไปแทนที่ เป็นผลให้รูเหมือนกับอิเล็กตรอนที่ผ่านเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า จะเคลื่อนที่ข้ามคริสตัล แต่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน อนุภาคที่มีประจุบวกเท่ากับ ค่าสัมบูรณ์ประจุอิเล็กตรอน เพื่อบัญชีสำหรับการดำเนินการเกี่ยวกับ ค่าใช้จ่ายเบื้องต้นสนามภายในของคริสตัลสำหรับรูทำให้เกิดแนวคิดเรื่องมวลประสิทธิผล w* ดังนั้นเมื่อแก้ไขปัญหาเราสามารถสรุปได้ว่าหลุมที่มีมวลมีประสิทธิผลจะเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามภายนอกสนามเดียวเท่านั้น

ในสนามภายนอก ทิศทางของความเร็วของอิเล็กตรอนและรูจะตรงกันข้าม แต่กระแสไฟฟ้าที่พวกมันสร้างขึ้นมีทิศทางเดียวกัน - ทิศทางของสนามไฟฟ้า ดังนั้น ความหนาแน่นกระแสระหว่างค่าการนำไฟฟ้าภายในของเซมิคอนดักเตอร์คือผลรวมของความหนาแน่นกระแสของอิเล็กตรอนที่ e และรูที่ d:

ค่าการนำไฟฟ้า o เป็นสัดส่วนกับจำนวนพาหะ ซึ่งหมายความว่าสามารถพิสูจน์ได้ว่าสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ภายใน

และขึ้นอยู่กับอุณหภูมิตามกฎเลขชี้กำลัง การมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอนและรูจะแตกต่างกัน ซึ่งอธิบายได้จากความแตกต่างของมวลประสิทธิผลของพวกมัน

ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ค่าการนำไฟฟ้าที่แท้จริงจะมีอิทธิพลเหนือกว่าในเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด มิฉะนั้นคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะถูกกำหนดโดยสิ่งสกปรก (อะตอมขององค์ประกอบอื่น ๆ ) แล้วเราจะพูดถึง การนำสิ่งเจือปนการนำไฟฟ้าจะประกอบด้วยการนำไฟฟ้าจากภายในและของเจือปน

สารกึ่งตัวนำที่ไม่บริสุทธิ์เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งแต่ละอะตอมจะถูกแทนที่ด้วยสิ่งเจือปน ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนและรูในนั้นแตกต่างกันอย่างมาก สิ่งเจือปนที่เป็นแหล่งกำเนิดของอิเล็กตรอนเรียกว่า ผู้บริจาคสิ่งเจือปนที่จับอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์เรียกว่า ตัวรับ

อันเป็นผลมาจากการนำสิ่งเจือปนเข้าไปในเขตต้องห้ามจึงได้รับอนุญาตเพิ่มเติม ระดับอิเล็กทรอนิกส์พลังงานที่อยู่ในช่องว่างแถบความถี่ใกล้กับหรือด้านล่างสุดของแถบการนำไฟฟ้า ( ระดับผู้บริจาค) หรือไปที่ด้านบนของแถบเวเลนซ์ ( ระดับตัวรับ)สิ่งนี้จะเพิ่มการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ

ในเซมิคอนดักเตอร์ประเภท i (จากภาษาอังกฤษ, ลบ - ลบ) มีสิ่งเจือปนจากผู้บริจาค กลไกการนำไฟฟ้าการนำไฟฟ้าในตัวนั้นมั่นใจได้จากอิเล็กตรอนส่วนเกินของสิ่งเจือปนซึ่งมีความจุมากกว่าความจุของอะตอมหลักหนึ่งหน่วย

ในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p (จากภาษาอังกฤษ, บวก - บวก) ที่มีความเจือปนของตัวรับ กลไกการนำรูค่าการนำไฟฟ้าในนั้นได้มาจากรูเนื่องจากมีการแนะนำสิ่งเจือปนซึ่งมีความจุน้อยกว่าความจุของอะตอมหลักหนึ่งอะตอม

ข้อพิสูจน์ที่น่าเชื่อถือถึงความเป็นจริงของหลุมที่เป็นบวกนั้นจัดทำโดย ฮอลล์เอฟเฟกต์(พ.ศ. 2422) ผลกระทบนี้ประกอบด้วยลักษณะที่ปรากฏอยู่ในโลหะ (หรือเซมิคอนดักเตอร์) โดยมีความหนาแน่นกระแส y วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก ในสนามไฟฟ้าเพิ่มเติมในทิศทางตั้งฉากกับ ในและคุณ การใช้เอฟเฟกต์ฮอลล์ (การวัดค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์ขึ้นอยู่กับสาร) ทำให้สามารถระบุความเข้มข้นและความคล่องตัวของตัวพาประจุในตัวนำได้ เช่นเดียวกับการกำหนดลักษณะของการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ (อิเล็กทรอนิกส์หรือรู)

ในปัจจุบัน ในการพัฒนาวัสดุสำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์ มีการสร้างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลายชนิด รวมถึงวัสดุที่มีแถบความถี่กว้าง ชิปเซมิคอนดักเตอร์ถือเป็นหนึ่งใน ทิศทางที่มีแนวโน้มไมโครอิเล็กทรอนิกส์ทำให้สามารถสร้างความน่าเชื่อถือและค่อนข้างซับซ้อน ตามหน้าที่วงจรรวม

การนำไฟฟ้าโลหะได้รับการพิสูจน์เชิงทดลองครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน E. Ricke ในปี 1901 ผ่านกระบอกสูบขัดเงาสามกระบอกที่กดให้แน่นซึ่งกันและกัน - ทองแดง, อลูมิเนียมและทองแดงอีกครั้ง - เวลานาน(เป็นเวลาหนึ่งปี) ผ่านกระแสไฟฟ้า ประจุทั้งหมดที่ส่งผ่านในช่วงเวลานี้เท่ากับ 3.5·10 6 C เนื่องจากมวลของอะตอมของทองแดงและอะลูมิเนียมแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ มวลของกระบอกสูบจึงต้องเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดหากตัวพาประจุเป็นไอออน

ผลการทดลองพบว่ามวลของแต่ละกระบอกสูบไม่เปลี่ยนแปลง พบร่องรอยการแทรกซึมของโลหะเพียงเล็กน้อยในพื้นผิวสัมผัสซึ่งไม่เกินผลลัพธ์ของการแพร่กระจายของอะตอมในของแข็งตามปกติ ดังนั้นตัวพาประจุฟรีในโลหะจึงไม่ใช่ไอออน แต่เป็นอนุภาคที่เหมือนกันทั้งในทองแดงและอะลูมิเนียม มีเพียงอิเล็กตรอนเท่านั้นที่สามารถเป็นอนุภาคดังกล่าวได้

ข้อพิสูจน์โดยตรงและน่าเชื่อถือเกี่ยวกับความถูกต้องของสมมติฐานนี้ได้มาจากการทดลองที่ดำเนินการในปี 1913 โดย L. I. Mandelstam และ N. D. Papaleksi และในปี 1916 โดย T. Stewart และ R. Tolman

ลวดพันอยู่บนขดลวดซึ่งปลายจะถูกบัดกรีเข้ากับแผ่นโลหะสองแผ่นที่แยกออกจากกัน (รูปที่ 1) กัลวาโนมิเตอร์ติดอยู่ที่ปลายดิสก์โดยใช้หน้าสัมผัสแบบเลื่อน

รอกหมุนอย่างรวดเร็วแล้วหยุดกะทันหัน หลังจากการหยุดขดลวดกะทันหัน อนุภาคที่มีประจุอิสระจะเคลื่อนที่ไปตามตัวนำด้วยความเฉื่อยเป็นระยะเวลาหนึ่ง และด้วยเหตุนี้ กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในขดลวด กระแสก็จะมีอยู่ เวลาอันสั้นเนื่องจากความต้านทานของตัวนำอนุภาคที่มีประจุจึงช้าลงและการเคลื่อนที่ของอนุภาคตามลำดับจะหยุดลง

ทิศทางของกระแสบ่งบอกว่ามันถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุลบ ประจุที่ถ่ายโอนในกรณีนี้จะเป็นสัดส่วนกับอัตราส่วนของประจุของอนุภาคที่สร้างกระแสต่อมวลของพวกมัน เช่น - ดังนั้นด้วยการวัดประจุที่ผ่านกัลวาโนมิเตอร์ตลอดการมีอยู่ของกระแสในวงจรจึงสามารถกำหนดอัตราส่วนได้ ปรากฎว่ามีค่าเท่ากับ 1.8·10 11 C/กก. ค่านี้เกิดขึ้นพร้อมกับอัตราส่วนของประจุอิเล็กตรอนต่อมวลซึ่งพบก่อนหน้าจากการทดลองอื่นๆ

ดังนั้นกระแสไฟฟ้าในโลหะจึงถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ตามทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของโลหะ (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904) ตัวนำโลหะถือได้ว่าเป็นระบบทางกายภาพของการรวมกันของสองระบบย่อย:

1. อิเล็กตรอนอิสระที่มีความเข้มข้น ~ 10 28 m -3 และ
2. ไอออนที่มีประจุบวกจะสั่นรอบตำแหน่งสมดุล

การปรากฏตัวของอิเล็กตรอนอิสระในคริสตัลสามารถอธิบายได้ดังนี้

เมื่ออะตอมรวมกันเป็นผลึกโลหะ อิเล็กตรอนชั้นนอกที่เกี่ยวข้องกับนิวเคลียสของอะตอมที่อ่อนแอที่สุดจะถูกแยกออกจากอะตอม (รูปที่ 2) ดังนั้นไอออนบวกจึงอยู่ที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัลโลหะและอิเล็กตรอนที่ไม่เกี่ยวข้องกับนิวเคลียสของอะตอมจะเคลื่อนที่ในช่องว่างระหว่างพวกมัน อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่า ฟรีหรือ การนำอิเล็กตรอน- พวกมันมีการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายคล้ายกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก๊าซ ดังนั้นจึงเรียกว่าการสะสมของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ก๊าซอิเล็กตรอน.

หากใช้สนามไฟฟ้าภายนอกกับตัวนำ การเคลื่อนที่โดยตรงภายใต้อิทธิพลของแรงสนามไฟฟ้าจะถูกซ้อนทับกับการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอิเล็กตรอนอิสระซึ่งก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในตัวนำนั้นมีค่าหลายเศษส่วนของมิลลิเมตรต่อวินาที แต่สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในตัวนำจะกระจายไปตามความยาวทั้งหมดของตัวนำด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงในสุญญากาศ (3· 10 8 ม./วินาที)

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในโลหะเกิดจากอิเล็กตรอนอิสระ จึงเรียกว่าการนำไฟฟ้าของตัวนำโลหะ การนำไฟฟ้า.

อิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของแรงคงที่ที่กระทำจากสนามไฟฟ้าจะได้รับความเร็วของการเคลื่อนที่ตามลำดับ (เรียกว่าดริฟท์) ความเร็วนี้จะไม่เพิ่มขึ้นตามเวลาอีกต่อไป เนื่องจากเมื่อชนกับไอออนของโครงตาข่ายคริสตัล อิเล็กตรอนจะถ่ายโอน พลังงานจลน์ที่ได้มาจากสนามไฟฟ้า ผลึกขัดแตะ ในการประมาณค่าครั้งแรก เราสามารถสรุปได้ว่าที่เส้นทางอิสระเฉลี่ย (นี่คือระยะทางที่อิเล็กตรอนเดินทางระหว่างการชนกับไอออนสองครั้งติดต่อกัน) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง และความเร็วดริฟท์ของมันจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามเวลา

ในขณะที่เกิดการชนกัน อิเล็กตรอนจะถ่ายโอนพลังงานจลน์ไปยังโครงตาข่ายคริสตัล จากนั้นมันจะเร็วขึ้นอีกครั้ง และกระบวนการนี้จะเกิดซ้ำ ส่งผลให้ ความเร็วเฉลี่ยการเคลื่อนที่ตามลำดับของอิเล็กตรอนนั้นแปรผันตามความแรงของสนามไฟฟ้าในตัวนำและดังนั้นกับความต่างศักย์ที่ปลายของตัวนำเนื่องจาก โดยที่ l คือความยาวของตัวนำ

เป็นที่ทราบกันดีว่าความแรงของกระแสไฟฟ้าในตัวนำนั้นแปรผันตามความเร็วของการเคลื่อนที่ของอนุภาคตามลำดับ

ซึ่งหมายความว่าตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ ความแรงของกระแสไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความต่างศักย์ที่ปลายตัวนำ: I ~ U นี่เป็นคำอธิบายเชิงคุณภาพของกฎของโอห์มตามทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์คลาสสิกของการนำโลหะ

อย่างไรก็ตาม ความยากลำบากก็เกิดขึ้นภายในทฤษฎีนี้ จากทฤษฎีก็เป็นไปตามนั้น ความต้านทานควรเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของอุณหภูมิ () ในขณะเดียวกันตามประสบการณ์ ~ T นอกจากนี้ความจุความร้อนของโลหะตามทฤษฎีนี้ควรจะมากกว่าความจุความร้อนของผลึกเชิงเดี่ยวอย่างมีนัยสำคัญ ในความเป็นจริง ความจุความร้อนของโลหะแตกต่างเพียงเล็กน้อยจากความจุความร้อนของผลึกอโลหะ ความยากลำบากเหล่านี้เอาชนะได้ในทฤษฎีควอนตัมเท่านั้น

ในปี 1911 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ G. Kamerlingh-Onnes ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าของปรอทที่อุณหภูมิต่ำพบว่าที่อุณหภูมิประมาณ 4 K (เช่นที่ -269 ° C) ความต้านทานจะลดลงทันที (รูปที่ 3 ) จนเกือบเป็นศูนย์ G. Kamerlingh-Onnes เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าความต้านทานไฟฟ้าซึ่งความเป็นตัวนำยิ่งยวดหายไป

ต่อมาพบว่ามีมากกว่า 25 ราย องค์ประกอบทางเคมี- โลหะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำมาก แต่ละคนมีของตัวเอง อุณหภูมิวิกฤตการเปลี่ยนไปสู่สภาวะที่ไม่มีการต่อต้าน ค่าต่ำสุดคือสำหรับทังสเตน - 0.012K ซึ่งสูงที่สุดสำหรับไนโอเบียม - 9K

ความเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นสังเกตได้ไม่เพียง แต่ในเท่านั้น โลหะบริสุทธิ์แต่สำหรับหลายๆ คนด้วย สารประกอบเคมีและโลหะผสม นอกจากนี้องค์ประกอบที่ประกอบเป็นสารประกอบตัวนำยิ่งยวดอาจไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด ตัวอย่างเช่น, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSbและอื่น ๆ

สารที่อยู่ในสถานะตัวนำยิ่งยวดมีคุณสมบัติที่ผิดปกติ:

1. กระแสไฟฟ้าในตัวนำยิ่งยวดสามารถดำรงอยู่ได้เป็นเวลานานโดยไม่มีแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า
2. เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างสนามแม่เหล็กภายในสารที่มีสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวด:
3. สนามแม่เหล็กทำลายสถานะของตัวนำยิ่งยวด ตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ที่อธิบายได้จากมุมมองของทฤษฎีควอนตัม คำอธิบายที่ค่อนข้างซับซ้อนมีมากกว่านั้น หลักสูตรของโรงเรียนฟิสิกส์.

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ การใช้ตัวนำยิ่งยวดอย่างแพร่หลายถูกขัดขวางโดยความยากลำบากที่เกี่ยวข้องกับความจำเป็นในการทำความเย็นให้มีอุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งใช้ฮีเลียมเหลว อย่างไรก็ตามแม้จะมีความซับซ้อนของอุปกรณ์ความขาดแคลนและฮีเลียมราคาสูงตั้งแต่ทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดได้ถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีการสูญเสียความร้อนในขดลวดซึ่งได้เกิดขึ้นจริง สามารถรับได้สนามแม่เหล็กแรงสูงในปริมาณที่ค่อนข้างมาก แม่เหล็กเหล่านี้เองที่จำเป็นในการสร้างการติดตั้งฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ที่มีการควบคุมด้วยการกักขังพลาสมาแม่เหล็ก และสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุอันทรงพลัง ตัวนำยิ่งยวดถูกนำมาใช้ในเครื่องมือวัดหลายประเภท โดยหลักๆ แล้วจะใช้ในเครื่องมือสำหรับการวัดสนามแม่เหล็กที่อ่อนมากและมีความแม่นยำสูง

ปัจจุบันในสายไฟ 10 - 15% ของพลังงานถูกใช้ไปกับการเอาชนะความต้านทานของสายไฟ เส้นตัวนำยิ่งยวดหรืออย่างน้อยก็อินพุตเข้าไป เมืองใหญ่ๆจะนำมาซึ่งการประหยัดมหาศาล การประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดในด้านอื่นคือการขนส่ง

องค์ประกอบลอจิคัลและการจัดเก็บข้อมูลความเร็วสูงจำนวนหนึ่งสำหรับคอมพิวเตอร์ได้ถูกสร้างขึ้นโดยอาศัยฟิล์มตัวนำยิ่งยวด ที่ การวิจัยอวกาศการใช้โซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวดมีแนวโน้มที่จะป้องกันรังสีของนักบินอวกาศ การเทียบท่าของเรือ การเบรกและการวางแนวของยานอวกาศ และสำหรับเครื่องยนต์จรวดพลาสมา

ในปัจจุบัน วัสดุเซรามิกได้ถูกสร้างขึ้นซึ่งมีค่าการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่า - มากกว่า 100K นั่นคือที่อุณหภูมิเหนือจุดเดือดของไนโตรเจน ความสามารถในการระบายความร้อนของตัวนำยิ่งยวด ไนโตรเจนเหลวซึ่งมีลำดับความสำคัญของความร้อนของการระเหยที่สูงกว่า ช่วยลดความยุ่งยากและลดต้นทุนของอุปกรณ์ไครโอเจนิกได้อย่างมาก และสัญญาว่าจะมีผลกระทบทางเศรษฐกิจอย่างมาก

ทุกวันนี้ไม่มีใครแปลกใจที่เมื่อเราแตะปุ่มสวิตช์ เราเห็นหลอดไฟสว่างขึ้น บ่อยครั้งที่เราไม่คิดว่าการกระทำดังกล่าวทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับอนุกรมทั้งหมด หนึ่งในปรากฏการณ์ที่น่าสงสัยอย่างยิ่งเหล่านี้คือการนำไฟฟ้าของโลหะซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงการไหลของกระแสไฟฟ้า

ขั้นแรกคุณควรตัดสินใจว่ามันเกี่ยวกับอะไร เรากำลังพูดถึง- ดังนั้นการนำไฟฟ้าคือความสามารถของสารในการส่งผ่าน สารที่แตกต่างกันมีความสามารถนี้ใน องศาที่แตกต่างกัน- ขึ้นอยู่กับระดับการนำไฟฟ้า สารจะถูกแบ่งออกเป็นตัวนำ สารกึ่งตัวนำ และไดอิเล็กทริก

หากคุณดูข้อมูลการทดลองที่นักวิจัยได้รับในระหว่างการศึกษากระแสไฟฟ้าจะเห็นได้ชัดว่าค่าการนำไฟฟ้าของโลหะสูงที่สุด สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการปฏิบัติในชีวิตประจำวัน เมื่อใช้สายโลหะเพื่อส่งกระแสไฟฟ้า โลหะเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าเป็นหลัก และคำอธิบายสำหรับเรื่องนี้สามารถพบได้ในทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์ของโลหะ

ตามหลังตัวนำเป็นโครงตาข่ายคริสตัลซึ่งโหนดถูกครอบครองโดยอะตอม พวกมันมีความหนาแน่นมากและเชื่อมต่อกับอะตอมที่คล้ายกันที่อยู่ใกล้เคียง ดังนั้นพวกมันจึงยังคงอยู่ที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัล สิ่งเดียวกันนี้ไม่สามารถพูดได้เกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่อยู่บนเปลือกนอกของอะตอม อิเล็กตรอนเหล่านี้มีอิสระในการเคลื่อนที่แบบสุ่ม ก่อตัวเป็น "ก๊าซอิเล็กตรอน" ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะขึ้นอยู่กับอิเล็กตรอนดังกล่าว

เพื่อเป็นหลักฐานว่าธรรมชาติของกระแสไฟฟ้าเกิดจากอิเล็กตรอน เราจึงจำการทดลองของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Rikke ซึ่งดำเนินการในปี 1901 ได้ เขาหยิบกระบอกทองแดงสองอันและอะลูมิเนียมหนึ่งกระบอกที่มีปลายขัดเงาอย่างประณีต วางอันหนึ่งไว้ทับอีกกระบอกหนึ่งแล้วส่งกระแสไฟฟ้าผ่านพวกมัน ตามที่ผู้ทดลองกล่าวว่า หากค่าการนำไฟฟ้าของโลหะเกิดจากอะตอม ก็อาจมีการถ่ายโอนสสารเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม หลังจากปล่อยกระแสไฟฟ้าเป็นเวลาหนึ่งปี มวลของกระบอกสูบก็ไม่เปลี่ยนแปลง

จากผลนี้สรุปได้ว่าค่าการนำไฟฟ้าของโลหะเกิดจากอนุภาคบางชนิดที่มีอยู่ในตัวนำทั้งหมด อิเล็กตรอนที่ถูกค้นพบแล้วในขณะนั้นเหมาะสมกับบทบาทนี้อย่างยิ่ง ต่อจากนั้นก็มีการทดลองอันชาญฉลาดอีกหลายครั้ง และทั้งหมดนี้ยืนยันว่ากระแสไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ตาม ความคิดที่ทันสมัยเกี่ยวกับโลหะ ไอออนจะอยู่ที่โหนด และอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อย่างอิสระระหว่างไอออนเหล่านั้น อย่างแน่นอน จำนวนมากอิเล็กตรอนดังกล่าวมีค่าการนำไฟฟ้าสูงของโลหะ เมื่อมีปริมาณเล็กน้อยที่ปลายตัวนำ อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้จะเริ่มเคลื่อนที่ซึ่งทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า

ควรสังเกตที่นี่ว่าค่าการนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นอย่างมาก ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นค่าการนำไฟฟ้าของโลหะจะลดลงและในทางกลับกันก็จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่ลดลง ในเวลาเดียวกันก็ควรจำไว้ว่าแม้ว่าโลหะทุกชนิดจะมีค่าการนำไฟฟ้า แต่ค่าของมันก็แตกต่างกันไปในแต่ละโลหะ ในบรรดาโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในวิศวกรรมไฟฟ้า ทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด

ดังนั้นวัสดุข้างต้นให้ความคิดว่าค่าการนำไฟฟ้าของโลหะคืออะไร อธิบายลักษณะของกระแสไฟฟ้า และอธิบายว่าอะไรเป็นสาเหตุ คำอธิบายของผลึกขัดแตะของโลหะและอิทธิพลของโลหะบางชนิด ปัจจัยภายนอกสำหรับการนำไฟฟ้า

การนำไฟฟ้าของโลหะคือความสามารถขององค์ประกอบและวัตถุในการนำอนุภาคที่มีประจุลบจำนวนหนึ่งผ่านตัวมันเอง การนำกระแสไฟฟ้านั้นอธิบายได้ค่อนข้างง่าย - อันเป็นผลมาจากอิทธิพล สนามแม่เหล็กไฟฟ้าบนโลหะตัวนำ อิเล็กตรอนจะเร่งการเคลื่อนที่มากจนสูญเสียการเชื่อมต่อกับอะตอม

ใน ระบบสากลหน่วยการวัด ค่าการนำไฟฟ้าระบุด้วยตัวอักษร S และมีหน่วยเป็นซีเมนส์

ขึ้นอยู่กับประเภทและลักษณะของตัวพาประจุ ค่าการนำไฟฟ้าอาจเป็นแบบอิเล็กทรอนิกส์ ไอออนิก และรูก็ได้ โลหะมีค่าการนำไฟฟ้า ค่าการนำไฟฟ้าดังกล่าวยังมีอยู่ในชั้นบนของบรรยากาศซึ่งมีความหนาแน่นของสารต่ำ เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องรวมตัวกับไอออนที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนเหลวจะมีค่าการนำไฟฟ้าแบบไอออนิก ไอออนซึ่งเป็นตัวพาประจุจะเคลื่อนย้ายสสารขณะเคลื่อนที่ ส่งผลให้มีการปล่อยมันบนอิเล็กโทรด กลไกการนำไฟฟ้าเป็นไปได้ ซึ่งเกิดจากการแตกของพันธะเวเลนซ์ ทำให้เกิดบริเวณว่างที่ไม่มีพันธะ สถานที่ "ว่างเปล่า" ที่ไม่มีพันธะอิเล็กตรอนเรียกว่ารู มีลักษณะเป็นรูในคริสตัลตัวนำ โอกาสเพิ่มเติมสำหรับการโอนเงิน กระบวนการนี้พร้อมกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเรียกว่าการนำไฟฟ้าของรู

การนำไฟฟ้าของโลหะ ประเภทของการนำไฟฟ้า ระดับเฟอร์มี.

ประเภทของการนำไฟฟ้า

ขึ้นอยู่กับประเภทและลักษณะของตัวพาประจุ ค่าการนำไฟฟ้าอาจเป็นแบบอิเล็กทรอนิกส์ ไอออนิก และรูก็ได้

โลหะมีค่าการนำไฟฟ้า

สารที่เป็นของเหลวมีค่าการนำไฟฟ้าแบบไอออนิก ไอออนซึ่งเป็นพาหะประจุจะเคลื่อนย้ายสสารขณะเคลื่อนที่ ส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยบนอิเล็กโทรด

กลไกการนำที่เป็นไปได้เกิดจากการแตกของพันธะเวเลนซ์ ทำให้เกิดพื้นที่ว่างและไม่มีพันธะที่หายไป สถานที่ "ว่างเปล่า" ที่ไม่มีพันธะอิเล็กตรอนเรียกว่ารู การปรากฏตัวของรูในคริสตัลตัวนำทำให้เกิดโอกาสเพิ่มเติมในการถ่ายโอนประจุ กระบวนการนี้พร้อมกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเรียกว่าการนำไฟฟ้าของรู

สามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าได้ ของแข็งของเหลว และก๊าซภายใต้สภาวะที่เหมาะสม

ตัวนำที่เป็นของแข็ง ได้แก่ โลหะ โลหะผสม และการดัดแปลงคาร์บอนบางชนิด

โลหะเป็นสารพลาสติกที่มีความแวววาวเป็นพิเศษซึ่งนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี ในบรรดาวัสดุของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โลหะถือเป็นสถานที่สำคัญที่สุดแห่งหนึ่ง

ตัวนำของเหลวประกอบด้วยโลหะหลอมเหลวและอิเล็กโทรไลต์ต่างๆ โดยทั่วไป จุดหลอมเหลวของโลหะจะสูง ยกเว้นปรอท (Hg) ซึ่งมีจุดหลอมเหลวที่ -39°C ดังนั้นที่อุณหภูมิปกติจะเป็นของเหลว ตัวนำโลหะสามารถใช้ปรอทได้เท่านั้น แกลเลียม (Ga) มีอุณหภูมิใกล้เคียงปกติ (29.8°C) โลหะชนิดอื่นเป็นตัวนำของเหลวเฉพาะที่อุณหภูมิสูงหรือสูงเท่านั้น

กลไกของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโลหะในของแข็งและ สถานะของเหลวเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ ดังนั้นจึงเรียกว่าตัวนำที่มีค่าการนำไฟฟ้าหรือตัวนำชนิดแรก

อิเล็กโทรไลต์หรือตัวนำชนิดที่สองเป็นสารละลาย (ส่วนใหญ่เป็นน้ำ) ของกรด ด่าง และเกลือ รวมทั้งของละลาย สารประกอบไอออนิก- การผ่านของกระแสผ่านตัวนำดังกล่าวสัมพันธ์กับการถ่ายโอนด้วย ค่าไฟฟ้าส่วนของโมเลกุล (ไอออน) เป็นผลให้องค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ค่อยๆเปลี่ยนแปลงและผลิตภัณฑ์อิเล็กโทรไลซิสจะถูกปล่อยบนอิเล็กโทรด

ก๊าซและไอระเหยทั้งหมด รวมถึงไอระเหยของโลหะ จะไม่นำกระแสไฟฟ้าที่ความแรงของสนามไฟฟ้าต่ำ อย่างไรก็ตาม หากความแรงของสนามแม่เหล็กสูงกว่าค่าวิกฤตที่แน่นอนซึ่งรับประกันว่าจะมีการกระแทกและการเกิดโฟโตไรเซชัน ก๊าซก็อาจกลายเป็นตัวนำที่มีความนำไฟฟ้าและไอออนิกได้ ก๊าซไอออไนซ์สูงที่มีจำนวนอิเล็กตรอนและไอออนบวกเท่ากันต่อหน่วยปริมาตร แสดงถึงตัวกลางนำไฟฟ้าที่สมดุลที่เรียกว่าพลาสมา

ทฤษฎีอิเล็กตรอนคลาสสิกของโลหะที่พัฒนาโดย Drude และ Lorentz มีพื้นฐานมาจากแนวคิดของก๊าซอิเล็กตรอนที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระ คุณสมบัติของก๊าซอิเล็กตรอนมีสาเหตุมาจาก ก๊าซในอุดมคติ, เช่น. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นไปตามกฎของสถิติคลาสสิก

หากใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก อิเล็กตรอนจะได้รับความเร็วเพิ่มเติมในการเคลื่อนที่ตามทิศทางในทิศทางนั้น กองกำลังที่ใช้งานอยู่สนามเนื่องจากกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น

ในกระบวนการเคลื่อนที่โดยตรง อิเล็กตรอนจะชนกับอะตอมที่บริเวณโครงตาข่าย ในกรณีนี้ความเร็วในการเคลื่อนที่จะช้าลงจากนั้นจึงเร่งความเร็วภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า:

การมีอยู่ของอิเล็กตรอนอิสระยังเป็นตัวกำหนดค่าการนำความร้อนสูงของโลหะอีกด้วย เมื่อมีการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง อิเล็กตรอนจะชนกับไอออนและแลกเปลี่ยนพลังงานกับไอออนอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นการสั่นสะเทือนของไอออนที่เพิ่มขึ้นในส่วนที่กำหนดของโลหะเนื่องจากความร้อนจะถูกส่งไปยังไอออนข้างเคียงทันทีจากพวกมันไปยังไอออนถัดไป ฯลฯ และสถานะความร้อนของโลหะจะถูกปรับระดับอย่างรวดเร็ว มวลโลหะทั้งหมดจะมีอุณหภูมิเท่ากัน

การนำความร้อนสามารถกำหนดได้ว่าเป็นคุณสมบัติของสารในการนำ (ส่ง) การไหลของความร้อนภายใต้อิทธิพลของความแตกต่างของอุณหภูมิที่ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป

พลังงานเฟอร์มี อี เอฟ - ค่าสูงสุดพลังงานที่อิเล็กตรอนสามารถมีได้ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ พลังงานเฟอร์มีเกิดขึ้นพร้อมกับค่านิยม ศักยภาพทางเคมีก๊าซเฟอร์เมียนที่ ต =0 เคนั่นคือระดับแฟร์มีสำหรับอิเล็กตรอนมีบทบาทเป็นระดับศักยภาพทางเคมีของอนุภาคที่ไม่มีประจุ ศักยภาพที่สอดคล้องกัน เจ F = อี F /อีเรียกว่าศักย์ไฟฟ้าเคมี

ดังนั้นระดับเฟอร์มีหรือพลังงานเฟอร์มีในโลหะจึงเป็นพลังงานที่อิเล็กตรอนสามารถมีได้ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ เมื่อโลหะถูกให้ความร้อน อิเล็กตรอนบางตัวที่อยู่ใกล้ระดับแฟร์มีจะตื่นเต้น (เนื่องจากพลังงานความร้อนซึ่งมีค่าประมาณ เคที- แต่ที่อุณหภูมิใดๆ ในระดับที่มีพลังงานสอดคล้องกับระดับเฟอร์มี ความน่าจะเป็นที่จะเติมคือ 1/2 ทุกระดับที่อยู่ต่ำกว่าระดับแฟร์มีมีแนวโน้มที่จะเป็นเช่นนั้น 1/2 เต็มไปด้วยอิเล็กตรอน และทุกระดับที่อยู่เหนือระดับแฟร์มีก็มีแนวโน้มที่จะเป็นเช่นนั้น 1/2 ปราศจากอิเล็กตรอน

การดำรงอยู่ของพลังงานเฟอร์มีเป็นผลมาจากหลักการของเพาลี ค่าของพลังงานแฟร์มีขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระบบเป็นอย่างมาก