Elektroninis metalų laidumas

Laidininkų klasifikacija

3 TEMA DIRIGENTŲ FIZINIS POVEIKIS

Metalų laidumo ypatybės, elektrinio laidumo šiluminis ir dreifinis judėjimas.

Elektronikos pramonėje plačiai naudojami metalai ir jų lydiniai, iš kurių gaminami laidininkai.

Klasifikuojama pagal agregacijos būseną: dujinė, skysta, kieta.

dujinis - medžiagų ir dujų garai esant elektrinio lauko stipriui, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ užtikrina molekulių jonizaciją. Juose elektros srovę kuria ir elektronai, ir jonai. Naudojamas dujų išleidimo įrenginiuose.

Skystis- įvairių druskų, rūgščių, šarmų tirpalai, taip pat jų lydalai (elektrolitai). Srovė yra susijusi su jonų perdavimu, o elektrolito sudėtis keičiasi, o ant elektrolito panardintų elektrodų medžiaga išsiskiria iš tirpalo.

Tvirtas- ϶ᴛᴏ metalai, kurie periodinėje lentelėje užima daugiau nei 75%. Srovę juose sukuria tik elektronai, ir dėl to medžiaga neperkeliama iš vieno elektrodo į kitą.

Pagal paraišką metalinės medžiagos skirstomos į:

Didelio laidumo metalai;

Aukšto atsparumo lydiniai.

Didelio laidumo metalai: sidabras, varis, aliuminis, geležis, auksas.

superlaidininkai(esant žemai t 0 C): aliuminis, gyvsidabris, švinas, niobis, junginiai su alavu, titanas, cirkonis.

Didelio atsparumo lydiniai:

Varis-manganas (manganinas);

Varis-nikelis (konstantanos);

Geležis, nikelis ir chromas (nichromas).

Pirmosios periodinės lentelės grupės elementai yra vienavalenčiai. Valentinis elektronas yra silpnai surištas su savo branduoliu ir, veikiamas bet kokio išorinio poveikio, nutraukia ryšį su branduoliu ir tampa laisvas. Dėl šios priežasties kristalinės gardelės mazguose yra teigiamai įkrautų atomų (jonų), tarp kurių juda laisvieji elektronai.

Jonai ir elektronai juda atsitiktinai. Šio judėjimo energija atspindi vidinę srovės energiją.

Jonų, sudarančių gardelę, judėjimas susideda tik iš svyravimų aplink jų pusiausvyros padėtį. Laisvieji elektronai gali judėti per visą metalo tūrį. Kai metalo viduje nėra elektrinio lauko, elektronų judėjimas vyksta chaotiškai, kiekvieną akimirką įvairių elektronų greičiai yra skirtingi ir turi visas įmanomas kryptis. Elektronai yra panašūs į dujas, todėl jie dažnai vadinami elektronų dujomis.

Šiluminis judėjimas nesukelia jokios srovės, nes dėl visiško atsitiktinumo kiekviena kryptimi judės tiek elektronų, kiek priešinga kryptimi, ir dėl to bendras krūvis, perkeltas per bet kurią sritį viduje, bus lygus nuliui.

Jei laidininko galuose susidaro potencialų skirtumas, ᴛ.ᴇ. sukurti viduje elektrinį lauką, tada kiekvieną elektroną veiks jėga, kiekvienas elektronas gaus papildomus greičius, nukreiptus viena kryptimi. Judėjimas taps nukreiptas, ᴛ.ᴇ. bus elektra.

Išvestis:

Chaotišką judėjimą sukelia išorinių veiksnių (šilumos) įtaka. Kryptinis judėjimas dėl potencialų skirtumo paprastai vadinamas dreifą.

Skirtingų metalų laidumas skiriasi, nes tai lemia:

Skirtingas laisvųjų elektronų skaičius tūrio vienete;

Elektronų judėjimo sąlygos, susijusios su skirtingais ilgais laisvais keliais, ᴛ.ᴇ. vidutinio elektrono nueitas kelias tarp dviejų susidūrimų su jonais.

Praktikoje naudojamos sąvokos: laidumas ir varža:

s- savitasis laidumas, MSu/m

r- varža, Ohm * mm 2 / m

r= 1/s = 1/enm = 2mu t /e 2 n l plg.

kur e yra elektronų krūvis = 1,6 * 10 -19 ;

n yra laisvųjų elektronų skaičius;

m- elektronų mobilumas dėl elektrinio lauko;

m yra elektrono masė \u003d 9,1 * 10 -31 kg;

l plg - reiškia laisvą kelią;

tu t - vidutinis šiluminio judėjimo greitis.

Vertybės u t,n, skirtinguose laidininkuose yra maždaug vienodi, pavyzdžiui:

n varis \u003d 8,5 * 10 28 m -3, n alūnas \u003d 8,3 * 10 28 m -3, šiluminio judėjimo greičio vertė yra apytikslė u t = 10 5 m/s.

Kiekvienam metalui yra tam tikras temperatūros atsparumo koeficientas, kai T 0 keičiasi 1 0 C, skaičiuojant nuo 10 m pradinės varžos (a):

a \u003d R 2 -R 1 / R 1 (T 2 - T 1) ,

kur R1– pasipriešinimas ties T1

R2– pasipriešinimas ties T2

iš čia R2 = R1

Šis santykis galioja esant 100-150 0 С temperatūrai.

Elektroninis metalų laidumas – samprata ir rūšys. Kategorijos „Metalų elektroninis laidumas“ klasifikacija ir ypatumai 2017, 2018 m.

Klasikinė metalų elektrinio laidumo teorija atsirado XX amžiaus pradžioje. Jos įkūrėjas buvo vokiečių fizikas Carlas Rikke. Jis empiriškai nustatė, kad krūvio perėjimas per metalą nėra susijęs su laidininko atomų perkėlimu, priešingai nei skysti elektrolitai. Tačiau šis atradimas nepaaiškino, kas tiksliai yra elektrinių impulsų nešėjas metalinėje konstrukcijoje.

Į šį klausimą atsakyti leido mokslininkų Stuarto ir Tolmano eksperimentai, atlikti 1916 m. Jiems pavyko nustatyti, kad už elektros perdavimą metaluose yra atsakingos mažiausios įkrautos dalelės – elektronai. Šis atradimas buvo klasikinės elektroninės metalų elektrinio laidumo teorijos pagrindas. Nuo to momento prasidėjo nauja metalinių laidininkų tyrimų era. Dėl gautų rezultatų šiandien turime galimybę naudoti buitinę techniką, gamybos įrangą, stakles ir daugybę kitų įrenginių.

Kaip skiriasi skirtingų metalų elektrinis laidumas?

Elektroninė metalų elektrinio laidumo teorija buvo sukurta Paulo Drude studijose. Jis sugebėjo atrasti tokią savybę kaip varža, kuri stebima, kai elektros srovė praeina per laidininką. Ateityje tai leis klasifikuoti skirtingas medžiagas pagal laidumo lygį. Iš gautų rezultatų nesunku suprasti, kuris metalas tinka konkrečiam kabeliui gaminti. Tai labai svarbus momentas, nes netinkamai parinkta medžiaga gali sukelti gaisrą dėl perkaitimo dėl perteklinės įtampos srovės.

Sidabras turi didžiausią elektros laidumą. Esant +20 laipsnių Celsijaus temperatūrai, jis yra 63,3 * 104 centimetrai-1. Tačiau iš sidabro pagaminti laidus yra labai brangu, nes tai gana retas metalas, kuris daugiausia naudojamas papuošalų ir dekoratyvinių papuošalų ar tauriųjų metalų monetų gamybai.

Metalas, turintis didžiausią elektros laidumą tarp visų nekilniosios grupės elementų, yra varis. Jo indikatorius yra 57 * 104 centimetrai-1 esant +20 laipsnių Celsijaus temperatūrai. Varis yra vienas iš labiausiai paplitusių laidų, naudojamų buityje ir pramonėje. Jis gerai atlaiko nuolatines elektros apkrovas, yra patvarus ir patikimas. Aukšta lydymosi temperatūra leidžia ilgą laiką dirbti be problemų šildomoje būsenoje.

Pagal paplitimą tik aliuminis gali konkuruoti su variu, kuris pagal elektros laidumą užima ketvirtą vietą po aukso. Jis naudojamas tinkluose su žema įtampa, nes turi beveik pusę vario lydymosi temperatūros ir negali atlaikyti didelių apkrovų. Tolimesnį vietų pasiskirstymą galima rasti pažvelgus į metalų elektrinio laidumo lentelę.

Verta paminėti, kad bet kurio lydinio laidumas yra daug mažesnis nei grynos medžiagos. Taip yra dėl struktūrinio tinklo susijungimo ir dėl to normalaus elektronų veikimo sutrikimo. Pavyzdžiui, vario vielos gamyboje naudojama medžiaga, kurioje priemaišų kiekis ne didesnis kaip 0,1%, o kai kurių tipų kabeliams šis skaičius yra dar griežtesnis - ne daugiau kaip 0,05%. Visi minėti rodikliai yra metalų elektrinis laidumas, kuris apskaičiuojamas kaip srovės tankio ir laidininko elektrinio lauko dydžio santykis.

Klasikinė metalų elektrinio laidumo teorija

Pagrindinėse metalų elektrinio laidumo teorijos nuostatose yra šeši punktai. Pirma: aukštas elektros laidumo lygis yra susijęs su daugybe laisvųjų elektronų. Antra: dėl išorinio poveikio metalui atsiranda elektros srovė, kurioje atsitiktinio judėjimo elektronai pereina į tvarkingą.

Trečia: srovės, einančios per metalinį laidininką, stipris apskaičiuojamas pagal Ohmo dėsnį. Ketvirta: skirtingas elementariųjų dalelių skaičius kristalinėje gardelėje lemia nevienodą metalų atsparumą. Penkta: elektros srovė grandinėje atsiranda iškart po smūgio į elektronus pradžios. Šešta: padidėjus metalo vidinei temperatūrai, didėja ir jo atsparumo lygis.

Metalų elektrinio laidumo pobūdis paaiškinamas nuostatų antra pastraipa. Ramybės būsenoje visi laisvieji elektronai atsitiktinai sukasi aplink branduolį. Šiuo metu metalas negali savarankiškai atkurti elektros krūvių. Tačiau tereikia prijungti išorinį įtakos šaltinį, nes elektronai akimirksniu išsirikiuoja į struktūrinę seką ir tampa elektros srovės nešėjais. Kylant temperatūrai metalų elektrinis laidumas mažėja.

Taip yra dėl to, kad molekuliniai ryšiai kristalinėje gardelėje silpsta, elementarios dalelės pradeda suktis dar chaotiškiau, todėl elektronų konstravimas grandinėje tampa sudėtingesnis. Todėl būtina imtis priemonių, kad laidininkai neperkaistų, nes tai neigiamai veikia jų eksploatacines savybes. Metalų elektrinio laidumo mechanizmas negali būti pakeistas dėl galiojančių fizikos dėsnių. Bet galima neutralizuoti neigiamą išorinį ir vidinį poveikį, kuris trukdo normaliai proceso eigai.

Didelio elektros laidumo metalai

Šarminių metalų elektrinis laidumas yra didelis, nes jų elektronai yra silpnai prijungti prie branduolio ir lengvai išsirikiuoja norima seka. Tačiau ši grupė išsiskiria žema lydymosi temperatūra ir didžiuliu cheminiu aktyvumu, kuris daugeliu atvejų neleidžia jų naudoti laidų gamybai.

Metalai, turintys didelį elektros laidumą atviroje formoje, yra labai pavojingi žmonėms. Palietus pliką laidą, sukels elektros nudegimą ir galingą visų vidaus organų iškrovą. Tai dažnai sukelia greitą mirtį. Todėl žmonių saugumui naudojamos specialios izoliacinės medžiagos.

Priklausomai nuo naudojimo, jie gali būti kieti, skysti arba dujiniai. Bet visi tipai yra skirti tai pačiai funkcijai - izoliuoti elektros srovę grandinėje, kad ji negalėtų paveikti išorinio pasaulio. Metalų elektrinis laidumas naudojamas beveik visose šiuolaikinio žmogaus gyvenimo srityse, todėl saugumas yra svarbiausias prioritetas.

Metalų elektroninį laidumą pirmą kartą eksperimentiškai įrodė vokiečių fizikas E. Rikke 1901 m. Per tris tvirtai vienas prie kito prispaustus poliruotus cilindrus - varį, aliuminį ir vėl varį - ilgą laiką (per metus) buvo praleidžiama elektros srovė. . Bendras per tą laiką praėjęs krūvis buvo lygus 3,5·10 6 C. Kadangi vario ir aliuminio atomų masės labai skiriasi viena nuo kitos, cilindrų masės turėtų pastebimai keistis, jei krūvininkai būtų jonai.

Eksperimentų rezultatai parodė, kad kiekvieno cilindro masė išliko nepakitusi. Susisiekiančiuose paviršiuose buvo rasti tik nežymūs metalų tarpusavio skverbimosi pėdsakai, kurie neviršijo įprastos atomų difuzijos kietose medžiagose rezultatų. Vadinasi, laisvieji krūvininkai metaluose yra ne jonai, o dalelės, kurios yra vienodos ir varyje, ir aliuminyje. Tokiomis dalelėmis gali būti tik elektronai.

Tiesioginis ir įtikinamas šios prielaidos pagrįstumo įrodymas buvo gautas 1913 metais L. I. Mandelstamo ir N. D. Papaleksi ir 1916 metais T. Stuarto ir R. Tolmano atliktais eksperimentais.

Ant ritės suvyniota viela, kurios galai prilituojami prie dviejų vienas nuo kito izoliuotų metalinių diskų (1 pav.). Prie diskų galų slankiojančiais kontaktais pritvirtinamas galvanometras.

Ritė greitai sukasi ir staiga sustabdoma. Staigiai sustojus ritei, laisvai įkrautos dalelės kurį laiką judės išilgai laidininko inercijos būdu, todėl ritėje atsiras elektros srovė. Srovė egzistuos neilgai, nes dėl laidininko varžos įkrautos dalelės sulėtėja ir sustoja tvarkingas dalelių judėjimas.

Srovės kryptis rodo, kad ją sukuria neigiamo krūvio dalelių judėjimas. Perduotas krūvis šiuo atveju yra proporcingas srovę kuriančių dalelių krūvio ir jų masės santykiui, t.y. . Todėl išmatavus krūvį, einantį per galvanometrą per visą srovės egzistavimo grandinėje laiką, buvo galima nustatyti santykį. Paaiškėjo, kad jis lygus 1,8·10 11 C/kg. Ši vertė sutampa su elektrono krūvio ir jo masės santykiu, nustatytu anksčiau iš kitų eksperimentų.

Taigi elektros srovė metaluose susidaro judant neigiamo krūvio elektronų dalelėms. Pagal klasikinę elektroninę metalų laidumo teoriją (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), metalinis laidininkas gali būti laikomas fizine dviejų posistemių derinio sistema:

1. laisvųjų elektronų, kurių koncentracija ~ 10 28 m -3 ir
2. teigiamo krūvio jonai, vibruojantys aplink pusiausvyros padėtį.

Laisvųjų elektronų atsiradimą kristale galima paaiškinti taip.

Atomams susijungus į metalo kristalą, nuo atomų atsiskiria silpniausiai su atomo branduoliu susiję išoriniai elektronai (2 pav.). Todėl teigiami jonai yra metalo kristalinės gardelės mazguose, o tarp jų esančiame erdvėje juda su savo atomų branduoliais nesusiję elektronai. Šie elektronai vadinami Laisvas arba laidumo elektronai. Jie atlieka chaotišką judesį, panašų į dujų molekulių judėjimą. Todėl laisvųjų elektronų visuma metaluose vadinama elektronų dujos.

Jei laidininkui taikomas išorinis elektrinis laukas, atsitiktinis chaotiškas laisvųjų elektronų judėjimas, veikiamas elektrinio lauko jėgų, sukuria nukreiptą judėjimą, kuris sukuria elektros srovę. Pačių elektronų judėjimo laidininke greitis yra kelios milimetro dalys per sekundę, tačiau laidininke susidaręs elektrinis laukas sklinda per visą laidininko ilgį greičiu, artimu šviesos greičiui vakuume ( 3 10 8 m/s).

Kadangi elektros srovę metaluose sudaro laisvieji elektronai, metalinių laidininkų laidumas vadinamas elektroninis laidumas.

Elektronai, veikiami nuolatinės jėgos, veikiančios iš elektrinio lauko, įgyja tam tikrą tvarkingo judėjimo greitį (tai vadinama dreifu). Laikui bėgant šis greitis toliau nedidėja, nes susidūrę su kristalinės gardelės jonais elektronai perduoda elektriniame lauke įgytą kinetinę energiją į kristalinę gardelę. Pirmuoju aproksimavimu galime daryti prielaidą, kad vidutiniu laisvuoju keliu (tai atstumas, kurį elektronas nukeliauja tarp dviejų nuoseklių susidūrimų su jonais) elektronas juda su pagreičiu, o jo dreifo greitis laikui bėgant didėja tiesiškai.

Susidūrimo momentu elektronas perduoda kinetinę energiją į kristalinę gardelę. Tada jis vėl įsibėgėja ir procesas kartojasi. Dėl to vidutinis tvarkingo elektronų judėjimo greitis yra proporcingas elektrinio lauko stipriui laidininke ir atitinkamai potencialų skirtumui laidininko galuose, nes , kur l yra laidininko ilgis.

Yra žinoma, kad srovės stipris laidininke yra proporcingas dalelių tvarkingo judėjimo greičiui

ir todėl pagal ankstesnįjį srovės stipris proporcingas potencialų skirtumui laidininko galuose: I ~ U. Tai yra kokybinis Ohmo dėsnio paaiškinimas, paremtas klasikine elektronine metalų laidumo teorija.

Tačiau su šia teorija kyla sunkumų. Iš teorijos išplaukė, kad varža turi būti proporcinga temperatūros kvadratinei šaknei (), tuo tarpu, remiantis patirtimi, ~ T. Be to, metalų šiluminė talpa, remiantis šia teorija, turėtų būti daug didesnė nei monatominių kristalų šiluminė talpa. Realiai metalų šiluminė talpa mažai skiriasi nuo nemetalinių kristalų šiluminės talpos. Šiuos sunkumus pavyko įveikti tik kvantinėje teorijoje.

1911 metais olandų fizikas G. Kamerling-Onnes, tyrinėdamas gyvsidabrio elektrinės varžos kitimą esant žemai temperatūrai, nustatė, kad esant maždaug 4 K temperatūrai (ty esant -269 °C), varža staigiai sumažėja (1 pav.). 3) beveik iki nulio. Šis elektrinės varžos pavertimo iki nulio reiškinys G. Kamerling-Onnes pavadino superlaidumu.

Vėliau buvo nustatyta, kad daugiau nei 25 cheminiai elementai – metalai labai žemoje temperatūroje tampa superlaidininkais. Kiekvienas iš jų turi savo kritinę perėjimo temperatūrą į būseną su nuliniu pasipriešinimu. Mažiausia jo vertė volframui yra 0,012K, didžiausia niobio – 9K.

Superlaidumas pastebimas ne tik grynuose metaluose, bet ir daugelyje cheminių junginių bei lydinių. Šiuo atveju patys elementai, kurie yra superlaidaus junginio dalis, negali būti superlaidininkais. Pavyzdžiui, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb ir kiti.

Superlaidžios būsenos medžiagos turi neįprastų savybių:

1. elektros srovė superlaidininke gali egzistuoti ilgą laiką be srovės šaltinio;
2. superlaidžios medžiagos viduje neįmanoma sukurti magnetinio lauko:
3. magnetinis laukas naikina superlaidumo būseną. Superlaidumas yra reiškinys, paaiškinamas kvantinės teorijos požiūriu. Gana sudėtingas jo aprašymas nepatenka į mokyklinio fizikos kurso taikymo sritį.

Dar visai neseniai plačiai taikyti superlaidumą trukdė sunkumai, susiję su būtinybe aušinti iki itin žemos temperatūros, kuriai buvo naudojamas skystas helis. Nepaisant to, nepaisant įrangos sudėtingumo, helio trūkumo ir didelių sąnaudų, nuo XX amžiaus 60-ųjų superlaidieji magnetai buvo sukurti be šilumos nuostolių jų apvijose, todėl praktiškai buvo įmanoma gauti stiprius magnetinius laukus santykinai dideliuose. apimtis. Būtent tokių magnetų reikia norint sukurti valdomo termobranduolinio sintezės su magnetine plazma izoliacija patalpas, galingiems įkrautų dalelių greitintuvams. Superlaidininkai naudojami įvairiuose matavimo prietaisuose, pirmiausia prietaisuose, skirtuose didžiausiu tikslumu matuoti labai silpnus magnetinius laukus.

Šiuo metu elektros linijų laidų varžoms įveikti sunaudojama 10 - 15 % energijos. Superlaidžios linijos arba bent jau įėjimai į didelius miestus leis labai sutaupyti. Kita superlaidumo taikymo sritis – transportas.

Superlaidžių plėvelių pagrindu sukurta nemažai didelės spartos loginių ir atminties elementų skaičiavimo įrenginiams. Kosmoso tyrimuose žadama panaudoti superlaidžius solenoidus kosmonautų radiacinei saugai, laivų prijungimui, jų lėtėjimui ir orientavimui bei plazminiams raketų varikliams.

Šiuo metu yra sukurtos keraminės medžiagos, kurios turi superlaidumą aukštesnėje temperatūroje – virš 100K, tai yra, esant aukštesnei nei azoto virimo temperatūrai. Galimybė aušinti superlaidininkus skystu azotu, kurio garavimo šiluma yra daug didesnė, labai supaprastina ir sumažina visos kriogeninės įrangos kainą bei žada didžiulį ekonominį efektą.

Metalų elektrinis laidumas – tai elementų ir kūnų gebėjimas per save pravesti tam tikrą kiekį neigiamo krūvio dalelių. Pats elektros srovės laidumas paaiškinamas gana paprastai – dėl elektromagnetinio lauko įtakos laidžiam metalui elektronas taip pagreitina savo judėjimą, kad praranda ryšį su atomu.

Tarptautinėje vienetų sistemoje elektros laidumas žymimas raide S ir matuojamas siemenais.

Priklausomai nuo krūvininkų tipo ir pobūdžio, laidumas yra elektroninis, joninis ir skylinis. Metalai turi elektroninį laidumą. Viršutiniuose atmosferos sluoksniuose yra toks laidumas, kur medžiagos tankis mažas, todėl elektronai gali laisvai judėti nesijungdami su teigiamai įkrautais jonais Skystieji elektronai turi joninį laidumą. Jonai, kurie yra krūvininkai, juda medžiagą, dėl to ji išsiskiria ant elektrodų.Dėl valentinio ryšio nutrūkimo galimas laidumo mechanizmas, dėl kurio atsiranda laisva vieta, kurioje jos nėra obligacija. Tokia „tuščia“ vieta, kurioje trūksta jungties elektronų, vadinama skyle. Skylės atsiradimas laidininko kristale sukuria papildomą krūvio perdavimo galimybę. Šis procesas, lydimas elektronų judėjimo, vadinamas skyliniu laidumu.

Metalų elektrinis laidumas. Elektros laidumo rūšys. Fermi lygis.

Elektros laidumo rūšys

Priklausomai nuo krūvininkų tipo ir pobūdžio, laidumas yra elektroninis, joninis ir skylinis.

Metalai turi elektroninį laidumą.

Skystos medžiagos turi joninį laidumą. Jonai, kurie yra krūvininkai, juda medžiagą, dėl to ji išsiskiria ant elektrodų.

Dėl valentinio ryšio nutrūkimo galimas laidumo mechanizmas, dėl kurio atsiranda laisva vieta, kurioje nėra ryšio. Tokia „tuščia“ vieta, kurioje trūksta jungties elektronų, vadinama skyle. Skylės atsiradimas laidininko kristale sukuria papildomą krūvio perdavimo galimybę. Šis procesas, lydimas elektronų judėjimo, vadinamas skyliniu laidumu.

Kietosios medžiagos, skysčiai ir tam tikromis sąlygomis dujos gali būti elektros srovės laidininkai.

Kietieji laidininkai apima metalus, metalų lydinius ir kai kurias anglies modifikacijas.

Metalai yra jiems būdingo blizgesio plastikinės medžiagos, kurios yra geri elektros srovės ir šilumos laidininkai. Tarp elektroninių technologijų medžiagų metalai užima vieną svarbiausių vietų.

Skysčių laidininkai apima išlydytus metalus ir įvairius elektrolitus. Paprastai metalo lydymosi temperatūra yra aukšta, išskyrus gyvsidabrį (Hg), kurio temperatūra yra -39°C. Todėl esant normaliai temperatūrai, kaip skysto metalo laidininkas gali būti naudojamas tik gyvsidabris. Galio (Ga) temperatūra taip pat yra artima normaliai (29,8 ° C). Kiti metalai yra skysčių laidininkai tik esant aukštai arba aukštai temperatūrai.

Srovės praėjimo per metalus kietoje ir skystoje būsenoje mechanizmas yra dėl laisvųjų elektronų judėjimo. Todėl jie vadinami laidininkais su elektroniniu elektros laidumu arba pirmosios rūšies laidininkais.

Elektrolitai arba antrosios rūšies laidininkai yra rūgščių, šarmų ir druskų tirpalai (daugiausia vandeniniai), taip pat joninių junginių lydalai. Srovių praėjimas per tokius laidininkus yra susijęs su molekulių dalių (jonų) perdavimu kartu su elektros krūviais. Dėl to elektrolito sudėtis palaipsniui keičiasi, o ant elektrodų išsiskiria elektrolizės produktai.

Visos dujos ir garai, įskaitant metalo garus, nepraleidžia srovės esant mažam elektrinio lauko stipriui. Tačiau jei lauko stipris yra didesnis už tam tikrą kritinę reikšmę, kuri užtikrina smūgio ir fotojonizacijos pradžią, tai dujos gali tapti laidininku, turinčiu elektroninį ir joninį elektros laidumą. Stipriai jonizuotos dujos, turinčios vienodą elektronų ir teigiamų jonų skaičių viename tūrio vienete, yra pusiausvyrai laidžioji terpė, vadinama plazma.

Klasikinė elektroninė metalų teorija, kurią sukūrė Drude ir Lorentz, remiasi elektronų dujų, susidedančių iš laisvųjų elektronų, idėja. Elektronų dujoms priskiriamos idealių dujų savybės, t.y. elektronų judėjimas paklūsta klasikinės statistikos dėsniams

Taikant išorinę įtampą, elektronai gaus papildomą nukreipto judėjimo greitį veikiančių lauko jėgų kryptimi, dėl kurio atsiranda elektros srovė.

Nukreipto judėjimo procese elektronai susiduria su gardelės vietų atomais. Tokiu atveju judėjimo greitis sulėtėja, o tada, veikiami elektrinio lauko, jie pagreitėja:

Laisvųjų elektronų buvimas taip pat yra atsakingas už didelį metalų šilumos laidumą. Nepertraukiamai judėdami elektronai nuolat susiduria su jonais ir keičiasi su jais energija. Todėl jonų virpesiai, sustiprėję tam tikroje metalo dalyje dėl kaitinimo, tuoj pat pereina į gretimus jonus, iš jų į kitus ir pan., o metalo šiluminė būsena greitai susilygina; visa metalo masė įgauna tą pačią temperatūrą.

Šilumos laidumą galima apibrėžti kaip medžiagos savybę pravesti (perduoti) šilumos srautą, veikiant temperatūrų skirtumui, kuris laikui bėgant nekinta.

Fermi energija E F- didžiausia energijos vertė, kurią elektronas gali turėti absoliučioje nulinėje temperatūroje. Fermio energija sutampa su fermiono dujų cheminio potencialo vertėmis T \u003d 0 K, tai yra, Fermio lygis elektronams atlieka neįkrautų dalelių cheminio potencialo lygio vaidmenį. Atitinkamas jo potencialas j F = E F /e vadinamas elektrocheminiu potencialu.

Taigi Fermio lygis arba Fermi energija metaluose yra energija, kurią elektronas gali turėti esant absoliučiai nulinei temperatūrai. Kai metalas kaitinamas, kai kurie elektronai, esantys arti Fermio lygio, sužadinami (dėl šiluminės energijos, kurios vertė yra maždaug kT). Bet bet kurioje temperatūroje lygiui, kurio energija atitinka Fermio lygį, užpildymo tikimybė yra 1/2. Visų lygių, žemesnių už Fermio lygį, tikimybė yra didesnė nei 1/2 yra užpildyti elektronais, o visi lygiai virš Fermio lygio yra labiau tikėtini nei 1/2 be elektronų.

Fermio energijos egzistavimas yra Pauli principo pasekmė. Fermio energijos vertė iš esmės priklauso nuo sistemos savybių.

Elektros laidumas – tai kūno gebėjimas praleisti elektros srovę veikiant elektriniam laukui. Šiam reiškiniui apibūdinti naudojama elektros laidumo σ reikšmė. Kaip rodo teorija, σ reikšmė gali būti išreikšta laisvųjų krūvininkų koncentracija n, jų krūviu e, mase m, laisvo kelio trukme τ e, laisvo kelio ilgiu λe ir vidutiniu dreifo greičiu.< v >krūvininkų. Metalams laisvieji elektronai veikia kaip laisvieji krūvininkai, todėl:

σ = ne 2 τе / m = (n e 2 / m) (λe /< v >) = e n u

kur u yra nešiklio mobilumas, t.y. fizinis dydis, skaitiniu požiūriu lygus dreifo greičiui, kurį nešikliai įgyja vienetinio intensyvumo lauke, būtent

u=< v >/ E = (e τ e) / m

Priklausomai nuo σ, visos medžiagos skirstomos į dalis; ant laidininkų - su σ\u003e 10 6 (Om m) -1, dielektrikuose - su σ\u003e 10 -8 (Ohm m) -1 ir puslaidininkiuose - kurių tarpinė vertė σ.

Juostos teorijos požiūriu, medžiagų skirstymą į laidininkus, puslaidininkius ir dielektrikus lemia tai, kaip kristalo valentinė juosta užpildoma elektronais 0 K temperatūroje: iš dalies ar visiškai.

Energija, kurią elektronams suteikia net silpnas elektrinis laukas, yra panaši į atstumą tarp energijos juostos lygių. Jei juostoje yra laisvų lygių, tai išorinio elektrinio lauko sužadinti elektronai juos užpildys. Pasikeis elektronų sistemos kvantinė būsena, kristale atsiras lengvatinis (kryptinis) elektronų judėjimas prieš lauką, t.y. elektros. Tokie kūnai (10.1 pav., a) yra laidininkai.

Jei valentinė juosta yra visiškai užpildyta, elektronų sistemos būklė gali pasikeisti tik tada, kai jie praeina per juostos tarpą. Išorinio elektrinio lauko energija negali atlikti tokio perėjimo. Elektronų permutacija visiškai užpildytoje zonoje nekeičia sistemos kvantinės būsenos, nes patys elektronai yra neatskiriami.

Tokiuose kristaluose (10.1 pav., b) išorinis elektrinis laukas nesukels elektros srovės atsiradimo, o jie bus nelaidūs (dielektrikai). Iš šios medžiagų grupės buvo atrinktos tos, kurių juostos tarpas ΔE ≤ 1 eV (1eV = 1,6 10 -19 J).

Elektronų perėjimas per juostos tarpą tokiuose kūnuose gali būti atliekamas, pavyzdžiui, naudojant terminį sužadinimą. Šiuo atveju dalis lygių – valentinė juosta – atleidžiama, o paskui ją einančios laisvosios juostos (laidumo juostos) lygiai užpildomi iš dalies. Šios medžiagos yra puslaidininkiai.

Pagal (10.1) išraišką kūnų elektrinio laidumo (elektrinės varžos) pokytį esant temperatūrai gali sukelti krūvininkų koncentracijos n pasikeitimas arba jų judrumo u pasikeitimas.

Metalai

Kvantiniai mechaniniai skaičiavimai rodo, kad metalų laisvųjų krūvininkų (elektronų) koncentracija n yra lygi:

n = (1/3π 2) (2mE F/ђ 2) 3/2

kur ђ \u003d h / 2π \u003d 1,05 10 -34 J s yra normalizuota Planko konstanta, E F yra Fermio energija.

Kadangi E F praktiškai nepriklauso nuo temperatūros T, tai krūvininkų koncentracija taip pat nepriklauso nuo temperatūros. Vadinasi, metalų elektrinio laidumo priklausomybę nuo temperatūros visiškai nulems elektronų judrumas u, kaip matyti iš (10.1) formulės. Tada aukštoje temperatūroje

u ~ λ e / ~T-1

ir esant žemai temperatūrai

u ~ λ e / ~const(T).

Krūvininkų mobilumo laipsnį lems sklaidos procesai, t.y. elektronų sąveika su periodiniu gardelės lauku. Kadangi idealios gardelės laukas yra griežtai periodinis, o elektronų būsena stacionari, sklaidą (metalo elektrinės varžos atsiradimą) gali sukelti tik defektai (priemaišų atomai, struktūros iškraipymai ir kt.) ir šiluminiai virpesiai. gardelės (fononų).

Prie 0 K, kur gardelės šiluminių virpesių intensyvumas ir fononų koncentracija artima nuliui, vyrauja priemaišų sklaida (elektroninė-priemaišų sklaida). Šiuo atveju laidumas praktiškai nekinta, kaip matyti iš (10.4) formulės, o savitoji varža

turi pastovią reikšmę, kuri vadinama savitoji liekamoji varža ρ rest arba specifinė priemaišų varža ρ apytiksliai, t.y.

ρ poilsis (arba ρ pirminis) = const (T)

Aukštos temperatūros srityje metaluose vyrauja elektronų-fononų sklaidos mechanizmas. Naudojant tokį sklaidos mechanizmą, elektros laidumas yra atvirkščiai proporcingas temperatūrai, kaip matyti iš (10.3) formulės, o varža yra tiesiogiai proporcinga temperatūrai:

Savitosios varžos ρ priklausomybės nuo temperatūros grafikas parodytas pav. 10.2

Esant kitokiai nei 0 K temperatūrai ir pakankamai dideliam priemaišų kiekiui, gali vykti ir elektronų-fononų, ir elektronų priemaišų sklaida; visuminė varža turi formą

ρ = ρ prim + ρ f

Išraiška (10.6) yra Mathysseno taisyklė dėl pasipriešinimo adityvumo. Reikėtų pažymėti, kad tiek elektronų-fononų, tiek elektronų priemaišų sklaida yra chaotiška.

Puslaidininkiai

Kvantiniai-mechaniniai nešėjų judrumo puslaidininkiuose skaičiavimai parodė, kad, pirma, kylant temperatūrai, mažėja nešėjų u judrumas, o nustatant judrumą turi lemiamas sklaidos mechanizmas, sukeliantis mažiausią mobilumą. Antra, krūvininkų judrumo priklausomybė nuo dopingo lygio (priemaišų koncentracijos) rodo, kad esant žemam dopingo lygiui, judrumą lems gardelės virpesių sklaida, todėl jis neturėtų priklausyti nuo priemaišų koncentracijos.

Esant dideliems dopingo lygiams, jis turėtų būti nustatomas išsklaidant ant jonizuoto priedo ir mažėja didėjant priemaišų koncentracijai. Taigi, krūvininkų judrumo pokytis neturėtų reikšmingai prisidėti prie puslaidininkio elektrinės varžos kitimo.

Pagal (10.1) išraišką pagrindinį indėlį į puslaidininkių elektrinio laidumo pokytį turėtų įnešti krūvininkų koncentracijos n pokytis.

Pagrindinė puslaidininkių savybė yra laidumo aktyvavimo pobūdis, t.y. ryški nešiklio koncentracijos priklausomybė nuo išorinių poveikių, tokių kaip temperatūra, švitinimas ir kt. Taip yra dėl siauro juostos tarpo (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Chemiškai grynų puslaidininkių elektrinis laidumas vadinamas savo laidumą. Puslaidininkių vidinis laidumas atsiranda dėl elektronų (n) perėjimo iš viršutinių valentinės juostos lygių į laidumo juostą ir skylių (p) susidarymo valentinėje juostoje:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

kur n n ir n ρ yra elektronų ir skylių koncentracija,
u n ir u ρ - atitinkamai jų mobilumas,
e yra vežėjo mokestis.

Kylant temperatūrai, elektronų koncentracija laidumo juostoje ir skylių valentinėje juostoje didėja eksponentiškai:

n n = u no exp(-ΔE / 2kT) = n ρ = n ρо exp(-ΔE / 2kT)

kur n nо ir n pо yra elektronų ir skylių koncentracijos ties T → ∞,
k \u003d 1,38 10 -23 J / K - Boltzmanno konstanta.

10.3,a paveiksle pavaizduota jo paties puslaidininkio elektros laidumo ln σ logaritmo grafikas esant grįžtamajai temperatūrai 1 / T: ln σ \u003d ƒ (1 / T). Grafikas yra tiesi linija, kurios nuolydžiu galima nustatyti juostos tarpą ∆E.

Legiruotų puslaidininkių elektrinis laidumas yra dėl to, kad juose yra priemaišų centrų. Tokių puslaidininkių priklausomybę nuo temperatūros lemia ne tik daugumos, bet ir priemaišų centrų tiekiamų nešiklių koncentracija. Ant pav. 10.3b pavaizduoti ln σ \u003d ƒ (1 / T) grafikai puslaidininkiams su įvairiais legiravimo laipsniais (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Lengvai legiruotiems puslaidininkiams žemoje temperatūroje vyrauja perėjimai, susiję su priemaišų lygiais. Kylant temperatūrai priemaišų nešėjų koncentracija didėja, vadinasi, didėja ir priemaišų laidumas. Pasiekus t A (žr. 10.3 pav., b; kreivė 1) - priemaišų išeikvojimo temperatūra T S1 - visi priemaišų nešikliai bus perkelti į laidumo juostą.

Virš temperatūros T S1 ir iki perėjimo temperatūros į vidinį laidumą T i1 (žr. t. B, 1 kreivė, 10.3 pav., b), elektros laidumas krenta, o puslaidininkio varža didėja. Virš temperatūros T i1 vyrauja vidinis elektros laidumas, t.y. dėl šiluminio sužadinimo savieji krūvininkai pereina į laidumo juostą. Vidinio laidumo srityje σ didėja, o ρ mažėja.

Stipriai legiruotiems puslaidininkiams, kuriuose priemaišų koncentracija n ~ 1026 m–3, t.y. yra proporcinga krūvininkų koncentracijai metaluose (žr. 3 kreivę, 10.3 pav., b), σ priklausomybė nuo temperatūros stebima tik vidinio laidumo srityje. Didėjant priemaišų koncentracijai, intervalo AB reikšmė (AB\u003e A "B"\u003e A "B") mažėja (žr. 10.3 pav., b).

Tiek priemaišų laidumo, tiek vidinio laidumo srityje vyrauja elektronų-fononų sklaidos mechanizmas. Priemaišų išsekimo srityje (intervalai AB, A"B", A"B") prie temperatūros T S vyrauja elektronų-priemaišų sklaida. Kylant temperatūrai (pereinant į T i), ima vyrauti elektronų-fononų sklaida. Taigi intervalas AB (A"B" arba A"B"), vadinamas priemaišų išeikvojimo sritimi, taip pat yra perėjimo nuo priemaišų laidumo mechanizmo prie vidinio laidumo mechanizmo sritis.