Tính dẫn điện của các chất khác nhau. Độ dẫn điện tử của kim loại

ĐỘ DẪN ĐIỆN CỦA KIM LOẠI VÀ CHẤT BÁN DẪN

Tính dẫn điện của kim loại

Tính toán cơ học lượng tử tương ứng cho thấy rằng trong trường hợp mạng tinh thể lý tưởng, các electron dẫn sẽ không gặp bất kỳ lực cản nào trong quá trình chuyển động của chúng và độ dẫn điện của kim loại sẽ lớn vô hạn. Tuy nhiên, mạng tinh thể không bao giờ hoàn hảo. Vi phạm tính tuần hoàn nghiêm ngặt của mạng là do sự hiện diện của tạp chất hoặc chỗ trống (nghĩa là không có nguyên tử trong vị trí), cũng như các dao động nhiệt trong mạng. Sự tán xạ của các electron bởi các nguyên tử tạp chất và bởi các photon dẫn đến sự xuất hiện điện trở trong kim loại. Kim loại càng tinh khiết và nhiệt độ càng thấp thì điện trở này càng thấp.

Điện trở suất của kim loại có thể được biểu diễn dưới dạng

Ở đâu  đếm - điện trở do dao động nhiệt của mạng tinh thể,  xấp xỉ là điện trở do tán xạ electron bởi các nguyên tử tạp chất. thuật ngữ  col giảm khi nhiệt độ giảm và biến mất ở T = 0K. thuật ngữ  xấp xỉở nồng độ tạp chất thấp không phụ thuộc vào nhiệt độ và tạo thành cái gọi là điện trở dư kim loại (tức là điện trở mà kim loại có ở 0K).

Giả sử có một đơn vị thể tích kim loại N các điện tử tự do. Hãy gọi tốc độ trung bình của các electron này là tốc độ trôi . A-ưu tiên

Khi không có ngoại trường thì vận tốc trôi bằng 0 và trong kim loại không có dòng điện. Khi một điện trường ngoài được đặt vào kim loại, vận tốc trôi trở nên khác 0 - một dòng điện phát sinh trong kim loại. Theo pháp luật Ohma tốc độ trôi dạt là hữu hạn và tỷ lệ thuận với lực lượng
.

Từ cơ học người ta đã biết vận tốc của chuyển động thẳng đều tỉ lệ với ngoại lực tác dụng lên vật F khi, ngoài lực lượng - F, lực cản của môi trường tác dụng lên cơ thể, tỷ lệ thuận với tốc độ của cơ thể (ví dụ như sự rơi của một quả bóng nhỏ trong môi trường nhớt). Do đó, chúng tôi kết luận rằng ngoài lực lượng
, lực "ma sát" tác dụng lên các electron dẫn trong kim loại, giá trị trung bình của nó bằng

(r- hệ số tỷ lệ).

Phương trình chuyển động của electron "trung bình" có dạng

Ở đâu tôi * là khối lượng hiệu dụng của electron. Phương trình này cho phép bạn tìm giá trị ổn định .

Nếu sau khi thiết lập trạng thái đứng yên, trường bên ngoài bị tắt , vận tốc trôi bắt đầu giảm và khi đạt đến trạng thái cân bằng giữa các electron và mạng tinh thể thì biến mất. Chúng ta hãy tìm quy luật giảm vận tốc trôi sau khi tắt trường bên ngoài. Đặt vào trong
, ta được phương trình

Chúng ta đã quen thuộc với loại phương trình này. Giải pháp của anh ấy trông giống như

Ở đâu
- giá trị của tốc độ trôi tại thời điểm tắt trường.

Theo đó trong thời gian

giá trị của tốc độ trôi giảm trong e một lần. Do đó, giá trị là thời gian thư giãn đặc trưng cho quá trình thiết lập trạng thái cân bằng giữa các electron và mạng tinh thể, bị xáo trộn bởi tác động của một trường bên ngoài .

Công thức đã cho có thể được viết như sau:

Giá trị ổn định của vận tốc trôi có thể được tìm thấy bằng cách lấy tổng lực bằng 0
và lực ma sát:

Chúng tôi thu được giá trị ổn định của mật độ hiện tại bằng cách nhân giá trị này trên điện tích của một electron e và mật độ điện tử N:

Hệ số tỷ lệ giữa
là độ dẫn điện  . Như vậy,

Biểu thức cổ điển tính dẫn điện của kim loại có dạng

Ở đâu   là quãng đường tự do trung bình của các electron, tôi là khối lượng thông thường (không hiệu dụng) của electron.

Từ việc so sánh các công thức và suy ra rằng thời gian thư giãn trùng khớp về độ lớn với quãng đường tự do trung bình của các electron trong kim loại.

Dựa trên các xem xét vật lý, có thể ước tính các đại lượng có trong biểu thức và từ đó tính toán độ dẫn điện theo thứ tự độ lớn  . Các giá trị thu được theo cách này phù hợp tốt với dữ liệu thử nghiệm. Ngoài ra, phù hợp với kinh nghiệm, nó chỉ ra rằng  biến đổi theo nhiệt độ theo quy luật 1/ t. Hãy nhớ lại rằng lý thuyết cổ điển cho rằng  tỷ lệ nghịch
.

Chúng tôi lưu ý rằng các tính toán dẫn đến công thức đều phù hợp như nhau cho cả cách giải thích cổ điển về chuyển động của các electron dẫn trong kim loại và cách giải thích cơ học lượng tử. Sự khác biệt giữa hai cách hiểu này như sau. Theo cách xem xét cổ điển, người ta cho rằng tất cả các electron đều bị nhiễu loạn bởi điện trường ngoài, theo đó mỗi số hạng trong công thức nhận được một phần bổ sung theo hướng.

đối diện . Trong cách giải thích cơ học lượng tử, người ta phải tính đến việc chỉ các electron chiếm các trạng thái gần mức Fermi mới bị trường nhiễu loạn và thay đổi vận tốc của chúng. Các electron nằm ở các mức sâu hơn không bị nhiễu loạn bởi trường và phần đóng góp của chúng vào tổng không thay đổi. Ngoài ra, theo cách giải thích cổ điển, mẫu số của công thức phải là khối lượng thông thường của electron tôi, theo cách giải thích cơ học lượng tử, thay vì khối lượng thông thường, nên lấy khối lượng hiệu dụng của electron tôi * . Tình huống này là một biểu hiện của quy luật chung, theo đó các mối quan hệ thu được trong phép tính gần đúng của các electron tự do hóa ra lại đúng đối với các electron chuyển động trong trường tuần hoàn của mạng nếu chúng ta thay thế khối lượng thực của electron trong chúng tôi khối lượng hiệu quả tôi * .

siêu dẫn

Ở nhiệt độ cỡ vài kelvin, điện trở của một số kim loại và hợp kim đột ngột biến thành chất không, chuyển thành trạng thái siêu dẫn. Nhiệt độ tại đó xảy ra quá trình chuyển đổi này được gọi là Nhiệt độ nguy hiểm và ký hiệu t k. Giá trị quan sát cao nhất t k là  20 K .

Về mặt thực nghiệm, tính siêu dẫn có thể được quan sát theo hai cách:

1) bằng cách bao gồm một liên kết siêu dẫn trong mạch điện chung. Tại thời điểm chuyển sang trạng thái siêu dẫn, hiệu điện thế ở hai đầu của liên kết này biến mất;

2) bằng cách đặt một vòng siêu dẫn trong từ trường vuông góc với nó. Sau khi làm mát vòng bên dưới, tắt trường. Kết quả là, một dòng điện liên tục được tạo ra trong vòng. Dòng điện trong một vòng như vậy lưu thông vô tận.

Nhà khoa học người Hà Lan G. Kamerling-Onnes, người đã phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn, đã chứng minh điều này bằng cách vận chuyển một vòng siêu dẫn có dòng điện chạy qua nó từ Leiden đến Cambridge. Trong một số thí nghiệm, người ta quan sát thấy không có sự phân rã dòng điện trong vòng siêu dẫn trong khoảng một năm. Năm 1959, Collins báo cáo rằng ông quan sát thấy dòng điện không giảm trong hai năm rưỡi.

Ngoài việc không có điện trở, trạng thái siêu dẫn được đặc trưng bởi thực tế là từ trường không xâm nhập vào phần lớn chất siêu dẫn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner. Nếu một mẫu siêu dẫn được làm lạnh bằng cách đặt trong một từ trường, thì tại thời điểm chuyển sang trạng thái siêu dẫn, trường này bị đẩy ra khỏi mẫu và cảm ứng từ trong mẫu biến mất. Về mặt hình thức, chúng ta có thể nói rằng một chất siêu dẫn có độ thấm từ bằng không (  = 0). chất với  < 1 được gọi là nam châm. Do đó, một chất siêu dẫn là một nam châm lý tưởng.

Một từ trường bên ngoài đủ mạnh sẽ phá hủy trạng thái siêu dẫn. Giá trị của cảm ứng từ tại đó điều này xảy ra được gọi là lĩnh vực quan trọng và ký hiệu b k. Nghĩa b k phụ thuộc vào nhiệt độ mẫu. Ở nhiệt độ tới hạn b k = 0, với giá trị nhiệt độ giảm dần b k tăng có xu hướng - giá trị của trường tới hạn ở nhiệt độ bằng không. Một cái nhìn gần đúng về sự phụ thuộc này được thể hiện trong Hình 1

Nếu chúng ta khuếch đại dòng điện chạy qua chất siêu dẫn có trong mạch chung, thì ở giá trị cường độ dòng điện TÔI k trạng thái siêu dẫn bị phá hủy. Giá trị dòng điện này được gọi là hiện tại quan trọng. Nghĩa TÔI k phụ thuộc vào nhiệt độ. Dạng của sự phụ thuộc này tương tự như sự phụ thuộc b k từ t(xem hình 1).

Hiện tượng siêu dẫn là một hiện tượng trong đó các hiệu ứng cơ học lượng tử không được tìm thấy ở cấp độ vi mô mà ở quy mô lớn, vĩ mô. Lý thuyết siêu dẫn được tạo ra vào năm 1957 bởi J. Bardeen, L. Cooper và J. Schrieffer. Nó được gọi ngắn gọn là lý thuyết BCS. Lý thuyết này rất phức tạp. Do đó, chúng tôi buộc phải giới hạn bản thân trong việc trình bày nó ở cấp độ sách khoa học phổ thông, mà dường như sẽ không thể đáp ứng đầy đủ những độc giả khó tính.

Chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn nằm ở chỗ, ngoài lực đẩy Coulomb, các electron trong kim loại còn chịu một loại lực hút lẫn nhau đặc biệt, lực hút này ở trạng thái siêu dẫn chiếm ưu thế hơn lực đẩy. Kết quả là, các electron dẫn được kết hợp thành cái gọi là cặp đôi hợp tác. Các electron trong một cặp như vậy có spin ngược hướng. Do đó, spin của cặp bằng không và nó là một boson. Các boson có xu hướng tích lũy ở trạng thái năng lượng cơ bản, từ đó tương đối khó đưa chúng vào trạng thái kích thích. Do đó, các cặp Cooper, sau khi chuyển động phối hợp, sẽ duy trì trạng thái này trong một thời gian dài vô tận. Chuyển động phối hợp của các cặp như vậy là dòng siêu dẫn.

Hãy để chúng tôi giải thích những gì đã được nói chi tiết hơn. Một electron chuyển động trong kim loại làm biến dạng (phân cực) mạng tinh thể gồm các ion dương. Do sự biến dạng này, electron được bao quanh bởi một "đám mây" điện tích dương, đám mây này di chuyển dọc theo mạng tinh thể cùng với electron. Electron và đám mây bao quanh nó là một hệ tích điện dương, mà một electron khác sẽ bị hút vào. Do đó, mạng ion đóng vai trò là môi trường trung gian, sự hiện diện của nó dẫn đến lực hút giữa các electron.

Theo ngôn ngữ cơ học lượng tử, lực hút giữa các điện tử được giải thích là kết quả của sự trao đổi giữa các điện tử của các lượng tử kích thích mạng - phonon. Một electron chuyển động trong kim loại vi phạm chế độ dao động của mạng tinh thể - nó kích thích các phonon. Năng lượng kích thích được chuyển sang một điện tử khác, điện tử này hấp thụ phonon. Do sự trao đổi các phonon như vậy, một tương tác bổ sung giữa các electron phát sinh, có đặc tính hấp dẫn. Ở nhiệt độ thấp, lực hút này đối với các chất siêu dẫn vượt quá lực đẩy Coulomb.

Tương tác do trao đổi phonon rõ rệt nhất đối với các electron có momen và spin ngược nhau. Kết quả là hai electron như vậy kết hợp thành một cặp Cooper. Cặp này không nên được coi là hai electron bị mắc kẹt với nhau. Ngược lại, khoảng cách giữa các electron của cặp rất lớn, nó xấp xỉ 10 -4 cm, tức là vượt quá khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể bốn bậc độ lớn. Khoảng 10 cặp Cooper chồng lên nhau một cách đáng chú ý; chiếm toàn bộ không gian.

Không phải tất cả các điện tử dẫn kết hợp thành cặp Cooper. Ở nhiệt độ t, khác với độ không tuyệt đối, có một số khả năng là cặp này sẽ bị phá hủy. Do đó, cùng với các cặp, luôn có các electron "bình thường" di chuyển qua tinh thể theo cách thông thường. Gần gũi hơn t Và t k , tỷ lệ electron bình thường càng lớn, biến thành 1 tại t = t k. . Vì vậy, ở nhiệt độ trên t k trạng thái siêu dẫn là có thể.

Sự hình thành các cặp Cooper dẫn đến sự sắp xếp lại phổ năng lượng của kim loại. Để kích thích một hệ thống điện tử ở trạng thái siêu dẫn, cần phải phá hủy ít nhất một cặp, cần năng lượng bằng năng lượng liên kết e số lượng electron trong một cặp. Năng lượng này là năng lượng tối thiểu mà hệ các electron trong chất siêu dẫn có thể hấp thụ. Hệ quả là trong phổ năng lượng của các electron ở trạng thái siêu dẫn xuất hiện một khoảng cách có độ rộng e St, nằm trong khu vực của cấp độ Fermi. Các giá trị năng lượng thuộc khoảng cách này bị cấm. Sự tồn tại của một khoảng cách đã được chứng minh bằng thực nghiệm.

Như vậy, trạng thái kích thích của một hệ điện tử ở trạng thái siêu dẫn được ngăn cách với trạng thái cơ bản bằng một khoảng năng lượng có độ rộng e St. Do đó, các chuyển đổi lượng tử của hệ thống này sẽ không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được. Ở tốc độ di chuyển thấp (tương ứng với cường độ dòng điện nhỏ hơn TÔI k) hệ thống điện tử của nó sẽ bị kích thích và điều này có nghĩa là chuyển động không có ma sát, tức là không có điện trở.

Độ rộng khoảng cách năng lượng e sv giảm khi nhiệt độ tăng và biến mất ở nhiệt độ tới hạn t k. Theo đó, tất cả các cặp Cooper đều bị phá hủy và chất này chuyển sang trạng thái bình thường (không siêu dẫn).

Theo lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn, từ thông Ф liên quan đến vòng siêu dẫn (hoặc hình trụ) mà dòng điện chạy qua phải là bội số nguyên của
, Ở đâu q - phí vận chuyển hiện tại

Giá trị

đại diện lượng tử thông lượng.

Lượng tử hóa từ thông được phát hiện bằng thực nghiệm vào năm 1961 bởi Deaver và Fairbank và một cách độc lập bởi Doll và Nebauer. Trong các thí nghiệm của Deaver và Fairbank, mẫu thử là một dải thiếc được đặt trên một sợi dây đồng có đường kính khoảng 10 -3 cm, dây này đóng vai trò khung và không chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Các giá trị đo được của từ thông trong các thí nghiệm này, cũng như trong các thí nghiệm của Doll và Nebauer, hóa ra là bội số nguyên của giá trị trong đó, như q mang điện tích gấp đôi electron q = - 2e) . Đây là một xác nhận bổ sung về tính đúng đắn của lý thuyết BCS, theo đó các hạt tải điện hiện tại trong chất siêu dẫn là các cặp Cooper, điện tích của chúng bằng tổng điện tích của hai electron, tức là - 2e.

chất bán dẫn

Chất bán dẫn là các chất kết tinh trong đó dải hóa trị được lấp đầy hoàn toàn bằng các electron và khoảng cách vùng cấm nhỏ (đối với chất bán dẫn nội tại, không quá 1 eV). Chất bán dẫn sở hữu tên gọi của chúng vì thực tế là về tính dẫn điện, chúng chiếm vị trí trung gian giữa kim loại và chất điện môi. Tuy nhiên, đặc điểm của chúng không phải là độ dẫn điện mà là độ dẫn điện của chúng tăng khi nhiệt độ tăng (nhớ lại rằng trong kim loại thì độ dẫn giảm).

Phân biệt sở hữu Và tạp chất chất bán dẫn. Trong số những chất nội tại là chất bán dẫn tinh khiết về mặt hóa học. Các tính chất điện của chất bán dẫn tạp chất được xác định bởi các tạp chất nhân tạo có trong chúng.

Khi xem xét các tính chất điện của chất bán dẫn, khái niệm "lỗ trống" đóng một vai trò quan trọng. Chúng ta hãy tập trung vào việc làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý của khái niệm này.

Trong một chất bán dẫn nội tại ở độ không tuyệt đối, tất cả các mức của dải hóa trị được lấp đầy hoàn toàn bằng các điện tử và không có điện tử nào trong dải dẫn (Hình 2a). Điện trường không thể chuyển các electron từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Do đó, chất bán dẫn nội tại hoạt động ở độ không tuyệt đối như chất điện môi. Ở nhiệt độ khác 0 K, một phần electron từ các mức cao hơn của dải hóa trị chuyển qua do kích thích nhiệt đến các mức thấp hơn của dải dẫn (Hình 2b). Trong những điều kiện này, điện trường có thể thay đổi trạng thái của các electron trong vùng dẫn. Ngoài ra, do sự hình thành các mức trống trong dải hóa trị, các electron của dải này cũng có thể thay đổi vận tốc của chúng dưới tác dụng của trường bên ngoài. Kết quả là độ dẫn điện của chất bán dẫn trở nên khác không.

Nó chỉ ra rằng với sự có mặt của các mức trống, hành vi của các electron trong dải hóa trị có thể được biểu diễn dưới dạng chuyển động của các chuẩn hạt tích điện dương, được gọi là "lỗ trống". Vì độ dẫn điện của một dải hóa trị được lấp đầy hoàn toàn bằng 0, nên tổng vận tốc của tất cả các electron trong một dải như vậy bằng không

Hãy để chúng tôi rút ra từ tổng này tốc độ kđiện tử thứ

Từ mối quan hệ này suy ra rằng nếu k electron nào trong vùng hóa trị vắng mặt thì tổng vận tốc của các electron còn lại bằng
. Do đó, tất cả các điện tử này sẽ tạo ra một dòng điện bằng
. Do đó, dòng điện thu được hóa ra tương đương với dòng điện do hạt có điện tích + e, có tốc độ của electron bị thiếu. Hạt tưởng tượng này là một lỗ trống.

Khái niệm về lỗ cũng có thể được đưa ra theo cách sau. Các mức trống được hình thành ở đầu dải hóa trị. Như đã chỉ ra, khối lượng hiệu dụng của một electron ở đỉnh của dải năng lượng là âm. Sự vắng mặt của hạt mang điện tích âm (- e) và khối lượng âm tôi * tương đương với sự có mặt của hạt mang điện tích dương (+ e) và khối lượng dương | tôi * | những thứ kia. hố.

Vì vậy, xét về tính chất điện của nó, một dải hóa trị với một số ít trạng thái trống tương đương với một dải trống chứa một số lượng nhỏ các quasiparticle tích điện dương được gọi là lỗ trống.

Chúng tôi nhấn mạnh rằng chuyển động của một lỗ trống không phải là sự dịch chuyển của một số hạt thực mang điện tích dương. Khái niệm lỗ trống phản ánh bản chất chuyển động của toàn bộ hệ thống đa electron trong chất bán dẫn.

Độ dẫn nội tại của chất bán dẫn

Dẫn nội tại là kết quả của sự chuyển đổi của các electron từ các mức cao hơn của vùng hóa trị sang vùng dẫn. Đồng thời, một số hạt tải điện nhất định xuất hiện trong dải dẫn - các electron chiếm các mức gần cuối dải, đồng thời, cùng một số vị trí ở các mức trên bị bỏ trống trong dải hóa trị, như một kết quả của những lỗ xuất hiện

Sự phân bố của các electron trên các mức của vùng hóa trị và vùng dẫn được mô tả bằng hàm Fermi-Dirac. Sự phân phối này có thể được làm rõ bằng cách mô tả cách nó được thực hiện trong Hình. đồ thị hàm phân bố cùng với sơ đồ các vùng năng lượng.

Tính toán tương ứng cho thấy rằng đối với chất bán dẫn nội tại, giá trị của mức Fermi được tính từ đỉnh của dải hóa trị bằng

ở đâu  e là khoảng cách dải, và tôi d*i tôi e* là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống và electron nằm trong vùng dẫn. Thông thường thuật ngữ thứ hai là không đáng kể và chúng ta có thể giả sử
. Điều này có nghĩa là mức Fermi nằm ở giữa vùng cấm.Do đó, đối với các electron đã đi vào vùng dẫn, giá trị e - e F khác một chút so với một nửa khoảng cách dải. Các mức vùng dẫn nằm ở phần đuôi của đường cong phân bố. Do đó, xác suất lấp đầy chúng bằng các electron có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng công thức (1.23) của đoạn trước. Đưa vào công thức này
, chúng tôi hiểu điều đó

Số lượng electron đã đi vào vùng dẫn, và do đó, số lượng lỗ trống được hình thành, sẽ tỷ lệ thuận với xác suất. Các electron và lỗ trống này là các hạt tải điện hiện tại. Vì độ dẫn tỉ lệ với số hạt tải điện nên nó cũng phải tỉ lệ với biểu thức. Hệ quả là độ dẫn điện của chất bán dẫn nội tại tăng nhanh theo nhiệt độ, biến đổi theo quy luật

ở đâu  e là khoảng cách dải,  0 - một giá trị thay đổi theo nhiệt độ chậm hơn nhiều so với số mũ, và do đó, nó có thể được coi là một hằng số trong phép tính gần đúng đầu tiên.

Nếu chúng ta vẽ biểu đồ phụ thuộc ln  từ t, sau đó đối với chất bán dẫn bên trong sẽ thu được một đường thẳng, như trong Hình.4. Độ dốc của đường thẳng này có thể được sử dụng để xác định độ rộng vùng cấm  e.

Các chất bán dẫn điển hình là các nguyên tố thuộc nhóm IV của hệ thống định kỳ Mendeleev - germanium và silicon. Chúng tạo thành một mạng kiểu kim cương trong đó mỗi nguyên tử được liên kết bởi các liên kết cộng hóa trị (cặp electron) với bốn nguyên tử lân cận cách đều nhau. Thông thường, sự sắp xếp lẫn nhau của các nguyên tử như vậy có thể được biểu diễn dưới dạng một cấu trúc phẳng, như trong Hình. 5. Vòng tròn có dấu biểu thị dư lượng nguyên tử tích điện dương (tức là phần còn lại của nguyên tử sau khi loại bỏ các electron hóa trị), các vòng tròn có dấu - electron hóa trị, đường đôi - liên kết cộng hóa trị.

Ở nhiệt độ đủ cao, chuyển động nhiệt có thể phá vỡ các cặp riêng lẻ, giải phóng một electron. Vị trí còn lại của electron không còn trung tính, một điện tích dương dư thừa phát sinh ở vùng lân cận , I E. một lỗ được hình thành (trong Hình 5, nó được thể hiện bằng một vòng tròn chấm). Một electron từ một trong các cặp lân cận có thể nhảy đến nơi này. Kết quả là, lỗ trống bắt đầu lang thang trong tinh thể cũng như electron được giải phóng.

Khi một điện tử tự do gặp một lỗ trống, chúng kết hợp lại(kết nối). Điều này có nghĩa là electron trung hòa điện tích dương dư thừa tồn tại ở vùng lân cận lỗ trống và mất tự do chuyển động cho đến khi nó nhận lại năng lượng từ mạng tinh thể đủ để giải phóng. Sự tái hợp dẫn đến sự biến mất đồng thời của một electron tự do và một lỗ trống. Trên sơ đồ mức, quá trình tái hợp tương ứng với sự chuyển đổi của một electron từ vùng dẫn sang một trong các mức tự do của vùng hóa trị.

Vì vậy, hai quá trình diễn ra đồng thời trong một chất bán dẫn nội tại: sự ra đời của các electron và lỗ trống tự do theo cặp và sự tái hợp, dẫn đến sự biến mất của các electron và lỗ trống theo cặp. Xác suất của quá trình đầu tiên tăng nhanh theo nhiệt độ. Xác suất tái hợp tỷ lệ thuận với cả số lượng electron tự do và số lượng lỗ trống. Do đó, mỗi nhiệt độ tương ứng với một nồng độ cân bằng nhất định của electron và lỗ trống, nồng độ này thay đổi theo nhiệt độ theo tỷ lệ biểu thức.

Khi không có điện trường ngoài, các electron dẫn và lỗ trống chuyển động ngẫu nhiên. Khi trường được bật, một chuyển động có trật tự được đặt chồng lên trên chuyển động hỗn loạn: các electron chống lại trường và các lỗ trống - theo hướng của trường. Cả chuyển động - và lỗ trống và điện tử - đều dẫn đến sự truyền điện tích dọc theo tinh thể. Do đó, độ dẫn điện nội tại được xác định bởi các hạt mang điện tích có hai dấu - các electron âm và lỗ trống dương.

Lưu ý rằng ở nhiệt độ đủ cao, sự dẫn điện nội tại được quan sát thấy trong tất cả các chất bán dẫn mà không có ngoại lệ. Tuy nhiên, trong chất bán dẫn chứa tạp chất, độ dẫn điện bao gồm độ dẫn nội tại và độ dẫn tạp chất.

Độ dẫn tạp chất của chất bán dẫn

Độ dẫn tạp chất phát sinh nếu một số nguyên tử của một chất bán dẫn nhất định được thay thế tại các vị trí mạng tinh thể bằng các nguyên tử có hóa trị khác với hóa trị của các nguyên tử chính. Hình 6 thường cho thấy mạng gecmani với hỗn hợp các nguyên tử phốt pho hóa trị 5. Một nguyên tử photpho cần 4 electron để hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử lân cận. Do đó, electron hóa trị thứ năm hóa ra là thừa và dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử do năng lượng của chuyển động nhiệt, tạo thành một electron tự do lang thang.

Trái ngược với trường hợp được xem xét trong đoạn trước, sự hình thành của một electron tự do không đi kèm với sự phá vỡ liên kết cộng hóa trị, tức là sự hình thành lỗ. Mặc dù một điện tích dương dư thừa phát sinh ở vùng lân cận của nguyên tử tạp chất, nhưng nó vẫn liên kết với nguyên tử này và không thể di chuyển dọc theo mạng tinh thể.

Do điện tích này, nguyên tử tạp chất có thể bắt giữ một electron tiến lại gần nó, nhưng liên kết của electron bị bắt giữ với nguyên tử sẽ mỏng manh và dễ bị phá vỡ trở lại do dao động nhiệt của mạng tinh thể.

Do đó, trong chất bán dẫn có tạp chất, hóa trị của nó lớn hơn hóa trị của các nguyên tử chính, chỉ có một loại hạt tải điện - electron. Theo đó, một chất bán dẫn như vậy được cho là có độ dẫn điện tử hoặc là một chất bán dẫn N- gõ (từ từ tiêu cực - tiêu cực). Nguyên tử tạp chất cung cấp electron dẫn được gọi là nhà tài trợ.

Chúng ta hãy xem xét hành vi của các electron dẫn trong kim loại ở trạng thái không cân bằng, khi chúng di chuyển dưới tác dụng của các trường bên ngoài được áp dụng. Các quá trình như vậy được gọi là các hiện tượng chuyển

Như được biết, độ dẫn điện (độ dẫn điện) o là giá trị liên quan đến mật độ dòng điện và cường độ trong định luật Ôm cục bộ: j - OE(xem công thức (14.15) phần 1). Tất cả các chất theo tính chất dẫn điện được chia thành ba loại: kim loại, chất bán dẫn và chất điện môi.

tính năng đặc trưng kim loại là độ dẫn kim loại của chúng - độ dẫn điện giảm khi nhiệt độ tăng (ở nồng độ không đổi của chất mang hiện tại). Nguyên nhân vật lý của điện trở trong kim loại là sự tán xạ sóng điện tử bởi các tạp chất và khuyết tật mạng, cũng như bởi các phonon.

Tính năng quan trọng nhất chất bán dẫn là khả năng thay đổi tính chất của chúng trong một phạm vi cực kỳ rộng dưới tác động của nhiều ảnh hưởng khác nhau: nhiệt độ, điện trường và từ trường, ánh sáng, v.v. Ví dụ, độ dẫn nội tại của chất bán dẫn tinh khiết tăng theo cấp số nhân khi được nung nóng.

Tại t> 300 K, độ dẫn điện riêng o của các vật liệu liên quan đến chất bán dẫn thay đổi trong khoảng rộng từ 10~5 đến 10 6 (Ohm m) -1, còn đối với kim loại o là hơn 10 6 (Ohm m) -1.

Các chất có độ dẫn điện riêng thấp, theo thứ tự 10~ 5 (ohm m) -1 hoặc ít hơn, tham khảo chất điện môi. Sự dẫn điện xảy ra ở nhiệt độ rất cao.

Lý thuyết lượng tử dẫn đến biểu thức sau đây cho tính dẫn điện kim loại:

Ở đâu P- nồng độ của các điện tử tự do; t là thời gian thư giãn; Đ* - khối lượng hiệu dụng của electron.

Thời gian thư giãnđặc trưng cho quá trình thiết lập trạng thái cân bằng giữa các electron và mạng, ví dụ, bị xáo trộn bởi sự bao gồm đột ngột của một trường bên ngoài e.

Thuật ngữ "electron tự do" có nghĩa là không có trường lực nào tác dụng lên electron. Chuyển động của êlectron dẫn trong tinh thể dưới tác dụng của ngoại lực F và các lực từ phía mạng tinh thể trong một số trường hợp có thể được mô tả là chuyển động của một electron tự do, chỉ bị ảnh hưởng bởi lực F(Định luật II Newton, xem công thức (3.5) phần 1), nhưng với khối lượng hiệu dụng T*, khác với khối lượng t eêlectron tự do.

Tính toán sử dụng biểu thức (30.18) cho thấy độ dẫn điện của kim loại khoảng ~ 1/T. Thí nghiệm xác nhận kết luận này của thuyết lượng tử, trong khi theo thuyết cổ điển

khoảng ~l/fr.

TRONG chất bán dẫn nồng độ của chất mang di động thấp hơn nhiều so với nồng độ của nguyên tử và có thể thay đổi theo sự thay đổi về nhiệt độ, độ chiếu sáng, chiếu xạ bằng dòng hạt, tiếp xúc với điện trường hoặc đưa vào một lượng tạp chất tương đối nhỏ. Các hạt mang điện trong chất bán dẫn ở vùng dẫn là các electron (electron dẫn) và ở vùng hóa trị - các quasiparticle tích điện dương hố. Khi không có electron trong dải hóa trị vì bất kỳ lý do gì, người ta nói rằng một lỗ trống (trạng thái trống) đã hình thành trong đó. Các khái niệm về lỗ trống và electron dẫn được sử dụng để mô tả hệ thống điện tử của chất bán dẫn, bán kim loại và kim loại.

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, nồng độ của các electron và lỗ trống trong chất bán dẫn phụ thuộc cả vào nhiệt độ và nồng độ của các tạp chất hoạt động điện và vào độ rộng vùng cấm A. e.

Một sự khác biệt được thực hiện giữa các chất bán dẫn bên trong và bên ngoài. Chất bán dẫn riêng là chất bán dẫn tinh khiết về mặt hóa học (ví dụ germanium Ge, selen Se). Số lượng electron trong chúng bằng số lượng lỗ trống. Độ dẫn nhiệt chất bán dẫn như vậy được gọi là sở hữu.

Trong chất bán dẫn nội tại ở t\u003d OK K dải hóa trị được lấp đầy hoàn toàn và dải dẫn không có. Vì vậy, khi T= Về K và không có kích thích bên ngoài, chất bán dẫn nội tại hoạt động giống như chất điện môi. Khi nhiệt độ tăng lên, do kích thích nhiệt, các electron từ các mức cao hơn của vùng hóa trị sẽ chuyển sang vùng dẫn. Đồng thời, các electron của dải hóa trị có thể chuyển lên các mức cao hơn còn trống của nó. Electron trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị sẽ góp phần tạo nên tính dẫn điện.

Năng lượng cần thiết để chuyển một electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn được gọi là năng lương̣̣ kich hoaṭđộ dẫn điện riêng.

Khi một điện trường bên ngoài được áp dụng cho một tinh thể, các electron sẽ di chuyển ngược lại với trường và tạo ra một dòng điện. Trong một trường bên ngoài, khi một electron hóa trị lân cận di chuyển đến một vị trí trống, một lỗ trống sẽ "di chuyển" đến vị trí của nó. Kết quả là, lỗ trống, giống như electron đi vào vùng dẫn, sẽ di chuyển trong tinh thể, nhưng ngược hướng với chuyển động của electron. Về mặt hình thức, một hạt có điện tích dương bằng giá trị tuyệt đối của điện tích electron di chuyển dọc theo tinh thể theo hướng của trường. Để tính đến tác động lên các điện tích cơ bản của trường bên trong tinh thể đối với các lỗ trống, khái niệm về khối lượng hiệu dụng w* được đưa ra. Do đó, khi giải quyết các vấn đề, chúng ta có thể giả sử rằng một lỗ có khối lượng hiệu dụng chỉ di chuyển dưới tác động của một trường bên ngoài.

Trong một trường bên ngoài, hướng vận tốc của các electron và lỗ trống ngược nhau, nhưng dòng điện do chúng tạo ra có cùng hướng - hướng của điện trường. Do đó, mật độ dòng điện ở độ dẫn nội tại của chất bán dẫn là tổng mật độ dòng điện của các electron y e và lỗ trống y d:

Độ dẫn điện o tỉ lệ thuận với số hạt tải điện, nghĩa là có thể chứng minh rằng đối với chất bán dẫn nội tại

và phụ thuộc hàm mũ vào nhiệt độ. Sự đóng góp của các electron và lỗ trống vào o là khác nhau, điều này được giải thích là do sự khác biệt về khối lượng hiệu dụng của chúng.

Ở nhiệt độ tương đối cao, dẫn điện nội tại chiếm ưu thế trong tất cả các chất bán dẫn. Mặt khác, tính chất điện của chất bán dẫn được xác định bởi tạp chất (nguyên tử của các nguyên tố khác), và sau đó chúng nói về độ dẫn tạp chất.Độ dẫn điện sẽ bao gồm độ dẫn nội tại và độ dẫn tạp chất.

chất bán dẫn tạp chấtđược gọi là chất bán dẫn, các nguyên tử riêng lẻ được thay thế bằng tạp chất. Nồng độ của các electron và lỗ trống trong chúng khác nhau đáng kể. Các tạp chất là nguồn cung cấp điện tử được gọi là nhà tài trợ. Các tạp chất thu giữ các electron từ vùng hóa trị được gọi là người chấp nhận.

Do sự ra đời của một tạp chất trong vùng cấm, các mức năng lượng điện tử được phép bổ sung phát sinh, nằm trong vùng cấm gần hoặc ở dưới cùng của dải dẫn ( cấp độ nhà tài trợ), hoặc trên cùng của dải hóa trị ( mức chấp nhận).Điều này làm tăng đáng kể tính dẫn điện của chất bán dẫn.

Trong chất bán dẫn loại n (từ tiếng Anh, âm - âm) với tạp chất của nhà tài trợ, cơ chế dẫn điện tử.Độ dẫn điện trong chúng được cung cấp bởi các electron tạp chất dư thừa, hóa trị của chúng lớn hơn hóa trị của các nguyên tử chính.

Trong chất bán dẫn loại p (từ tiếng Anh, dương - dương) có tạp chất chấp nhận, cơ chế dẫn lỗ.Độ dẫn điện trong chúng được cung cấp bởi các lỗ trống do sự ra đời của một tạp chất có hóa trị nhỏ hơn hóa trị của các nguyên tử chính.

Bằng chứng thuyết phục về thực tế của các lỗ dương được cung cấp bởi hiệu ứng phòng(1879). Hiệu ứng này bao gồm sự xuất hiện trong kim loại (hoặc chất bán dẫn) có mật độ dòng điện y được đặt trong từ trường TRONG, điện trường bổ sung theo phương vuông góc với TRONG và tại. Việc sử dụng hiệu ứng Hall (đo hệ số Hall tùy thuộc vào chất) giúp xác định nồng độ và độ linh động của các hạt mang điện trong chất dẫn điện, cũng như thiết lập tính chất dẫn điện của chất bán dẫn (điện tử hoặc lỗ trống). ).

Hiện nay, trong quá trình phát triển vật liệu cho vi điện tử, nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau đang được tạo ra, bao gồm cả những vật liệu có dải cấm rộng. Vi mạch bán dẫn được coi là một trong những lĩnh vực đầy hứa hẹn của vi điện tử, cho phép bạn tạo ra các mạch tích hợp phức tạp về chức năng và đáng tin cậy.

Độ dẫn điện tử của kim loại lần đầu tiên được chứng minh bằng thực nghiệm bởi nhà vật lý người Đức E. Rikke vào năm 1901. Thông qua ba hình trụ được đánh bóng ép chặt vào nhau - đồng, nhôm và đồng một lần nữa - một dòng điện chạy qua trong một thời gian dài (trong một năm) . Tổng điện tích đã qua trong thời gian này bằng 3,5·10 6 C. Vì khối lượng của các nguyên tử đồng và nhôm khác nhau đáng kể nên khối lượng của các hình trụ sẽ phải thay đổi đáng kể nếu các hạt mang điện là các ion.

Kết quả thí nghiệm cho thấy khối lượng của mỗi bình không đổi. Chỉ có dấu vết không đáng kể của sự xâm nhập lẫn nhau của kim loại được tìm thấy trong các bề mặt tiếp xúc, không vượt quá kết quả của sự khuếch tán thông thường của các nguyên tử trong chất rắn. Do đó, các hạt mang điện tự do trong kim loại không phải là ion, mà là các hạt giống nhau ở cả đồng và nhôm. Chỉ các điện tử mới có thể là những hạt như vậy.

Bằng chứng trực tiếp và thuyết phục về giá trị của giả định này đã thu được trong các thí nghiệm do L. I. Mandelstam và N. D. Papaleksi thiết lập vào năm 1913 và vào năm 1916 bởi T. Stuart và R. Tolman.

Một sợi dây được quấn trên cuộn dây, các đầu của dây được hàn vào hai đĩa kim loại cách ly với nhau (Hình 1). Một điện kế được gắn vào các đầu của đĩa bằng cách sử dụng các tiếp điểm trượt.

Cuộn dây quay nhanh dần rồi dừng lại đột ngột. Sau khi cuộn dây dừng đột ngột, các hạt tích điện tự do sẽ di chuyển dọc theo dây dẫn theo quán tính trong một thời gian, và do đó, một dòng điện sẽ xuất hiện trong cuộn dây. Dòng điện sẽ tồn tại trong một thời gian ngắn, do có điện trở của vật dẫn nên các hạt mang điện chạy chậm lại và chuyển động có trật tự của các hạt dừng lại.

Chiều của dòng điện cho biết nó được tạo ra do chuyển động của các hạt mang điện tích âm. Điện tích được truyền trong trường hợp này tỷ lệ thuận với tỷ lệ giữa điện tích của các hạt tạo ra dòng điện với khối lượng của chúng, tức là . Do đó, bằng cách đo điện tích đi qua điện kế trong toàn bộ thời gian tồn tại dòng điện trong mạch, có thể xác định tỷ lệ. Hóa ra là bằng 1,8·10 11 C/kg. Giá trị này trùng với tỷ lệ điện tích của electron trên khối lượng của nó được tìm thấy trước đó từ các thí nghiệm khác.

Do đó, một dòng điện trong kim loại được tạo ra bởi sự chuyển động của các hạt electron tích điện âm. Theo lý thuyết điện tử cổ điển về độ dẫn điện của kim loại (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), một dây dẫn kim loại có thể được coi là một hệ thống vật lý là sự kết hợp của hai hệ thống con:

các electron tự do với nồng độ ~ 10 28 m -3 và
ion mang điện tích dương dao động quanh vị trí cân bằng.

Sự xuất hiện của các electron tự do trong tinh thể có thể được giải thích như sau.

Khi các nguyên tử kết hợp thành một tinh thể kim loại, các electron bên ngoài liên kết yếu nhất với hạt nhân nguyên tử sẽ tách ra khỏi các nguyên tử (Hình 2). Do đó, các ion dương nằm ở các nút của mạng tinh thể kim loại và các electron không được kết nối với hạt nhân nguyên tử của chúng di chuyển trong không gian giữa chúng. Những điện tử này được gọi là miễn phí hoặc điện tử dẫn. Chúng thực hiện chuyển động hỗn loạn, tương tự như chuyển động của các phân tử khí. Do đó, tổng số electron tự do trong kim loại được gọi là khí điện tử.

Nếu một điện trường ngoài được đặt vào dây dẫn, thì chuyển động có hướng được đặt chồng lên chuyển động hỗn loạn ngẫu nhiên của các electron tự do dưới tác dụng của lực điện trường, tạo ra dòng điện. Tốc độ chuyển động của chính các electron trong dây dẫn là vài phần milimet trên giây, tuy nhiên, điện trường phát sinh trong dây dẫn lan truyền dọc theo toàn bộ chiều dài của dây dẫn với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không ( 3 10 8m/s).

Vì dòng điện trong kim loại được hình thành bởi các êlectron tự do nên tính dẫn điện của vật dẫn kim loại được gọi là độ dẫn điện tử.

Các electron dưới tác dụng của một lực không đổi tác dụng từ điện trường thu được một tốc độ chuyển động có trật tự nhất định (nó được gọi là sự trôi dạt). Tốc độ này không tăng thêm theo thời gian, vì khi va chạm với các ion của mạng tinh thể, các electron chuyển động năng thu được trong điện trường sang mạng tinh thể. Trong phép tính gần đúng đầu tiên, chúng ta có thể giả sử rằng trên quãng đường tự do trung bình (đây là khoảng cách mà một electron đi được giữa hai lần va chạm liên tiếp với các ion), electron chuyển động với gia tốc và vận tốc trôi của nó tăng tuyến tính theo thời gian.

Tại thời điểm va chạm, electron truyền động năng cho mạng tinh thể. Sau đó, nó tăng tốc trở lại và quá trình lặp lại. Kết quả là, tốc độ trung bình của chuyển động có trật tự của các electron tỷ lệ thuận với cường độ điện trường trong dây dẫn và do đó, hiệu điện thế ở hai đầu của dây dẫn, vì , trong đó l là chiều dài của dây dẫn.

Biết cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn tỉ lệ thuận với tốc độ chuyển động có trật tự của các phân tử

và do đó, theo cái trước, cường độ dòng điện tỷ lệ thuận với hiệu điện thế ở hai đầu của dây dẫn: I ~ U. Đây là cách giải thích định tính của định luật Ohm dựa trên lý thuyết điện tử cổ điển về độ dẫn điện của kim loại.

Tuy nhiên, có những khó khăn với lý thuyết này. Theo lý thuyết, điện trở suất phải tỷ lệ với căn bậc hai của nhiệt độ (), trong khi đó, theo kinh nghiệm, ~ T. Ngoài ra, theo lý thuyết này, nhiệt dung của kim loại phải lớn hơn nhiều so với nhiệt dung của tinh thể đơn nguyên tử. Trong thực tế, nhiệt dung của kim loại khác rất ít so với nhiệt dung của tinh thể phi kim. Những khó khăn này chỉ được khắc phục trong lý thuyết lượng tử.

Năm 1911, nhà vật lý người Hà Lan G. Kamerling-Onnes, khi nghiên cứu sự thay đổi điện trở của thủy ngân ở nhiệt độ thấp, đã phát hiện ra rằng ở nhiệt độ khoảng 4 K (tức là -269 ° C), điện trở suất giảm đột ngột (Hình. 3) gần như bằng không. Hiện tượng biến điện trở này thành không G. Kamerling-Onnes gọi là hiện tượng siêu dẫn.

Sau này người ta tìm ra hơn 25 nguyên tố hóa học - kim loại ở nhiệt độ rất thấp trở thành chất siêu dẫn. Mỗi người trong số họ có nhiệt độ chuyển tiếp tới hạn của riêng mình sang trạng thái không có điện trở. Giá trị thấp nhất của nó đối với vonfram là 0,012K, cao nhất đối với niobi là 9K.

Hiện tượng siêu dẫn không chỉ được quan sát thấy ở kim loại nguyên chất mà còn ở nhiều hợp chất hóa học và hợp kim. Trong trường hợp này, bản thân các nguyên tố, là một phần của hợp chất siêu dẫn, có thể không phải là chất siêu dẫn. Ví dụ, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb và những người khác.

Chất ở trạng thái siêu dẫn có những tính chất khác thường:

dòng điện trong chất siêu dẫn có thể tồn tại lâu dài mà không cần nguồn dòng;
bên trong chất ở trạng thái siêu dẫn không thể tạo ra từ trường:
từ trường phá hủy trạng thái siêu dẫn. Siêu dẫn là một hiện tượng được giải thích theo quan điểm của thuyết lượng tử. Mô tả khá phức tạp của nó nằm ngoài phạm vi của một khóa học vật lý ở trường.

Cho đến gần đây, việc sử dụng rộng rãi chất siêu dẫn đã bị cản trở bởi những khó khăn liên quan đến nhu cầu làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp, trong đó sử dụng helium lỏng. Tuy nhiên, bất chấp sự phức tạp của thiết bị, sự khan hiếm và giá thành cao của helium, kể từ những năm 60 của thế kỷ XX, các nam châm siêu dẫn đã được tạo ra mà không bị tổn thất nhiệt trong cuộn dây, điều này thực tế có thể thu được từ trường mạnh trong điều kiện tương đối lớn. khối lượng. Chính xác là những nam châm như vậy được yêu cầu để tạo ra các cơ sở cho phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát với sự giam cầm plasma từ tính, cho các máy gia tốc hạt tích điện mạnh. Chất siêu dẫn được sử dụng trong các thiết bị đo lường khác nhau, chủ yếu trong các thiết bị đo từ trường rất yếu với độ chính xác cao nhất.

Hiện tại, 10 - 15% năng lượng được sử dụng để khắc phục điện trở của dây dẫn trong đường dây điện. Các dây chuyền siêu dẫn, hoặc ít nhất là đầu vào cho các thành phố lớn, sẽ mang lại những khoản tiết kiệm khổng lồ. Một lĩnh vực ứng dụng khác của tính siêu dẫn là vận tải.

Trên cơ sở các màng siêu dẫn, người ta đã tạo ra một số phần tử logic và bộ nhớ tốc độ cao cho các thiết bị tính toán. Trong nghiên cứu không gian, người ta hứa hẹn sẽ sử dụng solenoid siêu dẫn để bảo vệ bức xạ cho các phi hành gia, cập bến tàu, giảm tốc độ và định hướng của chúng, và cho động cơ tên lửa plasma.

Hiện nay, người ta đã tạo ra vật liệu gốm có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn - trên 100K, tức là ở nhiệt độ trên nhiệt độ sôi của nitơ. Khả năng làm mát các chất siêu dẫn bằng nitơ lỏng, có nhiệt hóa hơi cao hơn, giúp đơn giản hóa và giảm đáng kể chi phí của tất cả các thiết bị đông lạnh, đồng thời hứa hẹn hiệu quả kinh tế rất lớn.

Ngày nay không ai ngạc nhiên rằng khi chạm vào phím công tắc, chúng ta thấy một bóng đèn bật sáng. Thường thì chúng ta thậm chí không nghĩ rằng tất cả các hành động như vậy đều dựa trên cả một chuỗi... Một trong những hiện tượng cực kỳ kỳ lạ đó là tính dẫn điện của kim loại, đảm bảo cho dòng điện chạy qua.

Để bắt đầu, có lẽ chúng ta nên quyết định xem chúng ta đang nói về cái gì. Vì vậy, tính dẫn điện được gọi là khả năng truyền qua của một chất, hơn nữa các chất khác nhau có khả năng này ở các mức độ khác nhau. Theo mức độ dẫn điện, các chất được chia thành chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất điện môi.

Nếu bạn nhìn vào dữ liệu thực nghiệm mà các nhà nghiên cứu thu được trong quá trình nghiên cứu dòng điện, thì rõ ràng độ dẫn điện của kim loại là cao nhất. Điều này cũng được xác nhận bởi thực tế hàng ngày, khi dây kim loại được sử dụng để truyền dòng điện. Kim loại chủ yếu là chất dẫn điện. Và lời giải thích cho điều này có thể được tìm thấy trong lý thuyết điện tử của kim loại.

Theo cái sau, dây dẫn là một mạng tinh thể, các nút của chúng bị chiếm giữ bởi các nguyên tử. Chúng nằm rất dày đặc và được kết nối với các nguyên tử tương tự lân cận, do đó chúng thực tế vẫn ở các nút của mạng tinh thể. Không thể nói gì về các electron nằm ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử. Các điện tử này tự do di chuyển một cách ngẫu nhiên, tạo thành cái gọi là "khí điện tử". Đây là độ dẫn điện tử của kim loại và dựa trên các điện tử đó.

Bằng chứng cho thấy bản chất của dòng điện là do các electron, chúng ta có thể nhớ lại kinh nghiệm của nhà vật lý người Đức Rikke, được dàn dựng vào năm 1901. Anh ta lấy hai hình trụ bằng đồng và một bằng nhôm có các đầu được đánh bóng cẩn thận, đặt cái này lên cái kia và cho một dòng điện chạy qua chúng. Theo ý tưởng của người làm thí nghiệm, nếu tính dẫn điện của kim loại là do nguyên tử thì sẽ có sự chuyển vật chất. Tuy nhiên, sau khi cho dòng điện chạy qua một năm, khối lượng của các bình không thay đổi.

Từ kết quả này dẫn đến kết luận rằng tính dẫn điện của kim loại là do một số hạt vốn có trong tất cả các chất dẫn điện gây ra. Electron, đã được phát hiện vào thời điểm đó, chỉ phù hợp với vai trò này. Sau đó, một số thí nghiệm khéo léo hơn đã được thực hiện và tất cả chúng đều xác nhận rằng dòng điện là do sự chuyển động của các electron.

Theo những ý tưởng hiện đại về kim loại, các ion nằm trong các nút của nó và các electron di chuyển tương đối tự do giữa chúng. Chính một số lượng lớn các electron như vậy đảm bảo tính dẫn điện cao của kim loại. Nếu có một lượng nhỏ ở hai đầu của dây dẫn, các electron tự do này bắt đầu chuyển động, gây ra dòng điện.

Cần lưu ý ở đây rằng độ dẫn điện phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Vì vậy, khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của kim loại giảm và ngược lại, nó tăng khi nhiệt độ giảm, xuống B. Đồng thời, cần nhớ rằng mặc dù tất cả các kim loại đều có độ dẫn điện, nhưng giá trị của nó khác nhau đối với mỗi kim loại . Đồng có độ dẫn điện tốt nhất trong số các kim loại được sử dụng và phổ biến nhất trong kỹ thuật điện.

Vì vậy, tài liệu đã cho đưa ra khái niệm về tính dẫn điện của kim loại, giải thích bản chất của dòng điện và giải thích nguyên nhân gây ra dòng điện. Nêu được mạng tinh thể của kim loại và ảnh hưởng của một số yếu tố bên ngoài đến độ dẫn điện.

Độ dẫn điện của kim loại là khả năng của các nguyên tố và vật thể dẫn một lượng hạt tích điện âm nhất định qua chính chúng. Bản thân sự dẫn điện của dòng điện được giải thích khá đơn giản - do ảnh hưởng của trường điện từ lên kim loại dẫn điện, electron tăng tốc chuyển động của nó đến mức mất liên kết với nguyên tử.

Trong Hệ đơn vị quốc tế, độ dẫn điện được biểu thị bằng chữ S và được đo bằng siemens.

Tùy thuộc vào loại và bản chất của hạt mang điện, độ dẫn điện là điện tử, ion và lỗ trống. Kim loại có tính dẫn điện tử. Có độ dẫn như vậy ở các lớp trên của khí quyển, nơi mật độ vật chất thấp, nhờ đó các electron có thể di chuyển tự do mà không kết hợp với các ion tích điện dương. Các ion, là hạt mang điện, di chuyển chất khi di chuyển, do đó nó được giải phóng trên các điện cực. . Một nơi "trống rỗng" như vậy với các electron liên kết bị thiếu được gọi là lỗ trống. Sự xuất hiện của một lỗ trong tinh thể dẫn điện tạo thêm cơ hội để truyền điện tích. Quá trình này, kèm theo sự chuyển động của các điện tử, được gọi là sự dẫn điện của lỗ trống.

Tính dẫn điện của kim loại. Các loại dẫn điện. cấp Fermi.

Các loại dẫn điện

Tùy thuộc vào loại và bản chất của hạt mang điện, độ dẫn điện là điện tử, ion và lỗ trống.

Kim loại có tính dẫn điện tử.

Chất lỏng có tính dẫn điện ion. Các ion, là hạt mang điện, di chuyển chất khi di chuyển, do đó nó được giải phóng trên các điện cực.

Có thể xảy ra cơ chế dẫn truyền do sự phá vỡ liên kết hóa trị, dẫn đến sự xuất hiện của một vị trí trống với một liên kết vắng mặt. Một nơi "trống rỗng" như vậy với các electron liên kết bị thiếu được gọi là lỗ trống. Sự xuất hiện của một lỗ trong tinh thể dẫn điện tạo thêm cơ hội để truyền điện tích. Quá trình này, kèm theo sự chuyển động của các điện tử, được gọi là sự dẫn điện của lỗ trống.

Chất rắn, chất lỏng, và trong những điều kiện thích hợp, chất khí có thể đóng vai trò là chất dẫn điện.

Chất dẫn rắn bao gồm kim loại, hợp kim kim loại và một số biến thể của cacbon.

Kim loại là những chất dẻo có ánh kim đặc trưng cho chúng, là chất dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Trong số các vật liệu của công nghệ điện tử, kim loại chiếm một trong những vị trí quan trọng nhất.

Chất dẫn lỏng bao gồm các kim loại nóng chảy và các chất điện phân khác nhau. Theo quy luật, điểm nóng chảy của kim loại cao, ngoại trừ thủy ngân (Hg), có nhiệt độ -39°C. Vì vậy ở nhiệt độ thường chỉ có thể dùng thủy ngân làm chất dẫn kim loại lỏng. Gali (Ga) cũng có nhiệt độ gần với nhiệt độ bình thường (29,8°C). Các kim loại khác là chất dẫn lỏng chỉ ở nhiệt độ cao hoặc cao.

Cơ chế dòng điện chạy qua kim loại ở trạng thái rắn và lỏng là do sự chuyển động của các êlectron tự do. Do đó, chúng được gọi là dây dẫn có tính dẫn điện hoặc dây dẫn loại một.

Chất điện phân, hoặc chất dẫn điện loại thứ hai, là dung dịch (chủ yếu là nước) của axit, kiềm và muối, cũng như sự nóng chảy của các hợp chất ion. Dòng điện đi qua các dây dẫn như vậy có liên quan đến việc chuyển các phần của phân tử (ion) cùng với điện tích. Do đó, thành phần của chất điện phân dần thay đổi và các sản phẩm điện phân được giải phóng trên các điện cực.

Tất cả các chất khí và hơi, kể cả hơi kim loại, không dẫn điện ở cường độ điện trường thấp. Tuy nhiên, nếu cường độ trường cao hơn một giá trị tới hạn nhất định, đảm bảo bắt đầu va chạm và quang hóa, thì khí có thể trở thành chất dẫn điện có tính dẫn điện và ion. Một chất khí bị ion hóa mạnh với số lượng electron và ion dương bằng nhau trên một đơn vị thể tích là môi trường dẫn điện cân bằng được gọi là plasma.

Lý thuyết điện tử cổ điển của kim loại, được phát triển bởi Drude và Lorentz, dựa trên ý tưởng về khí điện tử bao gồm các điện tử tự do. Các tính chất của một loại khí lý tưởng được quy cho khí điện tử, tức là chuyển động của các electron tuân theo các định luật thống kê cổ điển

Trong trường hợp áp dụng một điện áp bên ngoài, các electron sẽ nhận được một số tốc độ chuyển động bổ sung theo hướng của các lực tác dụng của trường, do đó một dòng điện phát sinh.

Trong quá trình chuyển động có hướng, các electron va chạm với các nguyên tử của các vị trí mạng tinh thể. Trong trường hợp này, tốc độ chuyển động chậm lại, và sau đó, dưới tác động của điện trường, chúng tăng tốc:

Sự hiện diện của các electron tự do cũng là nguyên nhân dẫn đến tính dẫn nhiệt cao của kim loại. Trong chuyển động liên tục, các electron liên tục va chạm với các ion và trao đổi năng lượng với chúng. Do đó, dao động của các ion tăng cường trong một phần nhất định của kim loại do nung nóng, ngay lập tức được chuyển sang các ion lân cận, từ chúng sang ion tiếp theo, v.v., và trạng thái nhiệt của kim loại nhanh chóng cân bằng; toàn bộ khối kim loại thu nhiệt độ như nhau.

Độ dẫn nhiệt có thể được định nghĩa là tính chất của một chất dẫn (truyền) dòng nhiệt dưới tác động của chênh lệch nhiệt độ không thay đổi theo thời gian.

năng lượng Fermi E F- giá trị năng lượng cực đại mà một electron có thể có ở nhiệt độ không độ tuyệt đối. Năng lượng Fermi trùng với các giá trị thế hóa học của khí fermion tại T \u003d 0 K, tức là mức Fermi đối với electron đóng vai trò là mức thế hóa học đối với hạt không tích điện. tiềm năng tương ứng của nó j F = E F /e gọi là thế điện hoá.

Như vậy, mức Fermi hay năng lượng Fermi trong kim loại là năng lượng mà một electron có thể có ở nhiệt độ không độ tuyệt đối. Khi kim loại bị nung nóng, một số electron ở gần mức Fermi bị kích thích (do năng lượng nhiệt, giá trị của nó theo thứ tự kT). Nhưng ở bất kỳ nhiệt độ nào, đối với một mức có năng lượng tương ứng với mức Fermi, xác suất lấp đầy là 1/2. Tất cả các mức dưới mức Fermi có xác suất lớn hơn 1/2 chứa đầy điện tử, và tất cả các mức trên mức Fermi có nhiều khả năng hơn 1/2 không có điện tử.

Sự tồn tại của năng lượng Fermi là hệ quả của nguyên lý Pauli. Giá trị của năng lượng Fermi về cơ bản phụ thuộc vào các thuộc tính của hệ thống.