Nosiče náboje

Nosiče náboje  jsou obecný název pro pohybující se částice nebo kvazičástice , které nesou elektrický náboj a jsou schopny zajistit tok elektrického proudu [1] .

Příklady pohybujících se částic jsou elektrony , ionty . Příkladem kvazičástice - nosiče náboje je iont, další nabité částice, například pozitrony .

Obvykle se termín „nosiče náboje“ používá ve fyzice pevných látek a fyzice polovodičů .

Elektrony v kovech

V kovech a látkách s kovovým typem vodivosti, které zahrnují mnoho dalších látek - grafit, mnoho karbidů a nitridů přechodných kovů , jsou elektrony nosiče náboje. V takových látkách není jeden nebo více elektronů vnějších elektronových obalů atomů vázáno na okolní atomy a může se pohybovat uspořádaným způsobem působením elektrického pole uvnitř krystalu nebo kapaliny, a to i při absolutní nulové teplotě. Takové elektrony se nazývají vodivostní elektrony v tělesech s kovovým typem vodivosti. Vzhledem k tomu, že elektrony mají poloviční celočíselný spin, jejich celek se řídí statistikou Fermi-Dirac a obvykle se nazývá Fermiho elektronový plyn .

Při absenci elektrického pole se vodivé elektrony náhodně pohybují v kovu nebo tavenině v různých směrech a elektrický proud v těle je nulový. Výjimkou je pohyb vodivostních elektronů v supravodičích , ve kterých se elektrony mohou pohybovat uspořádaným způsobem a vytvářet elektrický proud bez použití elektrického pole.

Při působení elektrického pole je chaotickému pohybu elektronů uložen uspořádanost – v těle vzniká elektrický proud. V prakticky dosažitelných elektrických polích v kovech rychlost uspořádaného pohybu elektronů nepřesahuje několik milimetrů za sekundu, zatímco průměrná rychlost chaotického pohybu elektronů je řádově několik stovek km/s.

Nosiče náboje v polovodičích

V polovodičích jsou nosiči náboje elektrony . Pro usnadnění popisu procesů vedení v polovodičích je zaveden pojem kvazičástice - díra  - kladně nabitá částice s nábojem rovným v absolutní hodnotě náboji elektronu. Ve skutečnosti je díra elektron přeskakující na volné sousední volné místo v krystalové mřížce polovodiče. Makroskopicky se díry chovají jako skutečné kladně nabité částice, zejména znaménko EMF v Hallově jevu indikuje pohyb kladně nabitých částic v polovodiči díry.

Podle poměru koncentrací elektronů a děr se rozlišují intrinsické polovodiče, ve kterých jsou koncentrace elektronů a děr stejné, polovodiče s elektronovým typem vodivosti nebo jinak nazývané polovodiče vodivosti typu n nebo jednoduše typu n s vodivostí. zvýšená koncentrace elektronů ve srovnání s dírami a polovodiče s vodivostí typu děr nazývané polovodiče typu p - se zvýšenou koncentrací děr.

Typ té či oné vodivosti uděluje čistému polovodiči příměs . Nečistoty, které udělují polovodičům elektronický typ vodivosti, se nazývají donorové nečistoty a nečistoty, které propůjčují typ vodivosti díry, se nazývají akceptorové nečistoty .

Čisté polovodiče a polovodiče se stejnou koncentrací akceptorových a donorových nečistot, takové polovodiče se nazývají kompenzované polovodiče tvořící vlastní polovodiče .

Elektrony v polovodiči typu n se nazývají majoritní nosiče a díry se nazývají menšinové , v polovodiči typu p naopak. Menšinový nosný proud hraje důležitou roli v některých typech polovodičových součástek, jako jsou bipolární tranzistory a v aktivním režimu je proud protékající základní vrstvou proudem menšinového nosného.

Podle teorie pásů nemůže energie elektronu v krystalové mřížce polovodiče nabývat libovolnou sérii energií, ale pouze jejich energie mohou ležet v určitých rozsahech povolených zón oddělených zakázaným pásmem . Pás s nižší energií se nazývá valenční pásmo , zatímco pásmo s vysokou energií se nazývá vodivostní pásmo . Elektrony s energiemi valenčního pásma nejsou volné, to znamená, že se při působení elektrického pole nemohou pohybovat, protože všechny energetické hladiny v tomto pásmu jsou obsazeny a podle Pauliho vylučovacího principu nemůže elektron změnit svůj stav a pohyb vyžaduje změnu stavu. Elektrony s energiemi vodivostního pásu jsou pohyblivé, protože má volné energetické hladiny umístěné výše.

Pokud je elektron z valenčního pásma odstraněn, pak v něm vzniká kladně nabitá vakance - díra, kterou může obsadit jiný elektron z valenčního pásma, to znamená, že při působení elektrického pole se ve valenčním pásmu pohybují otvory - výskyt elektrické vodivosti ve valenčním pásmu - dírová vodivost.

Uvolnění elektronu z uzlu krystalové mřížky polovodiče a jeho přenos do vodivého pásma vyžaduje vynaložení určité aktivační (ionizační) energie. Tato energie v čistých polovodičích se rovná rozdílu mezi energiemi spodní části vodivostního pásma a horní části valenčního pásma a nazývá se zakázané pásmo. V dopovaných polovodičích se aktivační energie rovná rozdílu mezi hladinami donorových a akceptorových nečistot.

Protože výskyt volných nosičů v polovodičích vyžaduje aktivační energii, při absolutní nulové teplotě a bez vnějšího ozáření jsou všechny polovodiče izolanty. Jak teplota stoupá, část elektronů přechází z valenčního pásma do vodivostního pásu a dochází k elektrické vodivosti. V dopovaných polovodičích jsou hladiny akceptorů blízko horní části valenčního pásma a hladiny donorových nečistot jsou blízko spodní části vodivostního pásma; proto v dopovaných polovodičích vyžaduje ionizace (vzhled nosičů náboje) velmi nízkou aktivační energii. proto jsou v lehce dopovaných polovodičích již při pokojové teplotě všechny atomy nečistot ionizovány a vodivost je určena především koncentrací dopantu.

Nosiče náboje v elektrolytech

V elektrolytech jsou nosiči náboje ionty. V roztocích a taveninách elektrolytů se některé z elektricky neutrálních molekul rozkládají na nabité částice s jiným znakem náboje – volné ionty. Kladně nabité ionty se nazývají kationty, záporně nabité anionty. Působením elektrického pole se ionty pohybují a vytvářejí elektrický proud a anionty se pohybují proti vektoru síly elektrického pole - k anodě a kationty - ke katodě, ve směru pohybu iontů. jiného nábojového znaku a dostali svá jména.

Existují také pevné látky s iontovým typem vodivosti - tzv. pevné elektrolyty . Pevné elektrolyty jsou iontové krystaly , ve kterých jsou ionty v místech krystalové mřížky slabě vázány na mřížku a mohou krystalem migrovat. Působením elektrického pole získávají ionty v pevných elektrolytech uspořádaný pohyb podél nebo proti vektoru síly elektrického pole v závislosti na znaménku náboje. Příklady pevných elektrolytů jsou jodid stříbrný s vodivostí stříbrných iontů Ag + nebo oxid zirkoničitý dopovaný oxidem přechodného kovu III. skupiny periodické tabulky , s vodivostí kyslíkových iontů O 2- v důsledku volných míst v krystalové mřížce, stejně jako mnoho pevných elektrolytů a některé polymery s vodivostí vodíkových iontů H + . V mnoha pevných elektrolytech, například v dopovaném oxidu zirkoničitém, se iontová vodivost provádí vytěsněním vakancí - iont kyslíku se působením pole přesune do sousedního vakance v krystalové mřížce a zůstane tam, mechanismus vedení podobný děrce vedení v polovodičích.

Nosiče náboje ve vakuu a zředěné plazmě

Nosiče náboje ve vakuu jsou elektrony, ionty, další nabité elementární částice. Je-li vakuum vysoké, v případech, kdy je volná dráha částice mnohem větší než uvažovaná velikost, tedy Knudsenovo číslo je mnohem větší než 1 nabité částice, lze nosiče náboje považovat za neinteragující a pohybují se v nepřítomnost elektrického pole v přímce a rovnoměrně, dokud se nesrazí se stěnou nádoby. Když je aplikováno elektrické pole, nabité částice se začnou rychle pohybovat působením elektrické síly.

Speciálním případem nábojů ve vakuu je vysoce zředěné plazma  , elektricky neutrální směs nosičů náboje s různými náboji.

Objemový poplatek

Obvykle v prostředí, kde jsou volné nosiče náboje, je celkový náboj kladně nabitých částic roven celkovému náboji záporně nabitých částic, proto je takové prostředí elektricky neutrální. V některých případech však celkový náboj jednoho ze znaků převažuje nad celkovým nábojem druhého znaku. V tomto případě se mluví o objemu nebo povrchovém náboji . Přítomnost objemového nebo povrchového náboje vytváří elektrické pole v souladu s Gaussovou větou . Elektrické pole způsobuje pohyb nosičů náboje a redistribuci prostorového náboje, snaží se vyrovnat koncentraci nábojů různých znamének. Pro dlouhodobou existenci vesmírného náboje proto musí existovat mechanismus pro jeho udržení. Například pracovní funkce elektronů brání toku náboje z negativně nabitých těles.

Vznikající vesmírný náboj hraje důležitou roli ve fyzikálních procesech v elektrovakuových zařízeních - prostorový náboj elektronů ve vakuu nebo prostorových nábojových zónách v pn přechodech v polovodičových zařízeních, vznikající protidifúzí elektronů a děr a rozdílem kontaktních potenciálů .

Generování a rekombinace nosičů náboje

V elektrolytech, polovodičích a plazmatu probíhají procesy rekombinace a ionizace částic současně. Elektricky neutrální atomy a molekuly se rozpadají na nabité částice - ionizace a zároveň se částice různých znaků k sobě přitahují a tvoří elektricky neutrální částice - rekombinace. V rovnovážném stavu je počet rekombinačních a disociačních událostí za jednotku času navzájem shodný a v médiu je ustavena rovnovážná koncentrace nosičů náboje. Systém vyvedený z rovnovážného stavu postupně samovolně přechází do rovnováhy. Časová konstanta pro ustavení rovnovážné koncentrace nábojů se nazývá relaxační čas .

K disociaci neutrálních částic dochází především v důsledku tepelného pohybu a vibrací částic, jejich srážek. Protože disociace vyžaduje určitou energii, nazývanou aktivační energie , pak koncentrace nosičů náboje, pokud neexistují žádné další faktory bránící tepelné disociaci, roste s rostoucí teplotou. Proto se s rostoucí teplotou zvyšuje elektrická vodivost elektrolytů, polovodičů, neúplně ionizovaného plazmatu. Kvantitativně je koncentrace nosičů náboje v látce jako funkce teploty vyjádřena Arrheniovou rovnicí .

Je znám mechanismus disociace na nabité částice vnějšími netepelnými vlivy, např. elektromagnetickým zářením nebo proudem rychlých částic, např. proudem elektronů, ionizujícím zářením . Pod takovým vlivem se zvyšuje koncentrace nosičů náboje ve srovnání s rovnovážnou tepelnou koncentrací. Absorpce fotonu nebo nabité částice v polovodiči s určitou pravděpodobností generuje pár elektron-díra, tohoto jevu se využívá v různých polovodičových fotodetektorech a detektorech polovodičových částic. Makroskopicky se zvýšení koncentrace nosičů náboje projevuje změnou elektrických vlastností, jako je elektrická vodivost.

Rekombinace nabitých částic je doprovázena uvolněním energie rovnající se disociační energii nebo ionizační energii. Ve většině případů se tato energie přemění v tepelný pohyb, ale může se přeměnit v jiné druhy energie, například ji může odnést foton, jako u světelných diod a polovodičových laserů při aktech rekombinace elektron- páry otvorů.

Střední volná cesta nosičů náboje

Průměrná vzdálenost, na kterou lze pohyb nosiče náboje považovat za nezávislý na přítomnosti jiných částic, se nazývá střední volná dráha. Obvykle se tato vzdálenost rovná délce dráhy částice před srážkou s jinou částicí, ale například v plazmatu je délka dráhy vzdálenost k významné elektrostatické interakci s jinou nabitou částicí plazmatu a změně směru pohybu. .

U elektrolytů je střední volná dráha omezena srážkami, u kovů je střední volná dráha elektronů omezena rozptylem elektronů na atomech, poruchami krystalové mřížky a jejími tepelnými vibracemi - rozptylem na fononech .

V polovodičích jsou elektrony a díry rozptýleny defekty krystalové mřížky, atomy nečistot a fonony. U čistých polovodičů může střední volná dráha při nízkých teplotách dosahovat několika milimetrů.

Ve vakuu a řídkém plazmatu koncept střední volné dráhy ztrácí smysl, protože částice neinteragují. Obvykle můžeme předpokládat, že délka volné dráhy se rovná rozměrům nádoby.

Čím vyšší je střední volná dráha a čím vyšší je koncentrace nosiče , tím vyšší je elektrická vodivost :

Poznámky

1. ↑ Fyzický encyklopedický slovník. — M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1983.