Rumah Kepada guru
Konduktivitas elektronik
logam
Pada awal abad ke-20, teori elektronik klasik tentang konduktivitas logam diciptakan (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), yang memberikan penjelasan sederhana dan visual tentang sebagian besar sifat listrik dan termal logam. Mari kita perhatikan beberapa ketentuan teori ini.
Elektron bebas
Konduktor logam terdiri dari:
1) ion bermuatan positif berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan, dan 2) elektron bebas yang mampu bergerak sepanjang seluruh volume konduktor. Dengan demikian, sifat listrik logam disebabkan oleh adanya elektron bebas di dalamnya dengan konsentrasi sekitar 1028 m–3, yang kira-kira sama dengan konsentrasi atom. Elektron ini disebut elektron konduksi. Mereka dibentuk dengan menghilangkannya dari atom logam elektron valensi. Elektron tersebut bukan milik atom tertentu dan mampu bergerak ke seluruh volume benda. Dalam logam jika tidak ada medan listrik elektron konduksi bergerak secara kacau dan bertabrakan, paling sering dengan ion kisi kristal(Gbr. 1). Totalitas elektron-elektron ini kira-kira dapat dianggap pasti gas elektron, tunduk pada hukum
gas ideal
. Kecepatan rata-rata gerak termal elektron pada suhu kamar kira-kira 105 m/s.
Gambar 1 Arus listrik pada logam Ion-ion kisi kristal logam tidak berperan dalam penciptaan arus. Pergerakan mereka selama aliran arus berarti perpindahan materi sepanjang konduktor, yang tidak diamati. Misalnya dalam percobaan E. Riecke (1901) massa dan
komposisi kimia konduktor tidak berubah ketika arus berlalu selama satu tahun. Bukti eksperimental bahwa arus dalam logam diciptakan oleh elektron bebas diberikan dalam eksperimen oleh L.I. Mandelstam dan N.D. Papaleksi (1912, hasilnya tidak dipublikasikan), serta T. Stewart dan R. Tolman (1916). Mereka menemukan bahwa ketika kumparan yang berputar cepat tiba-tiba berhenti, a
arus listrik
Karena arus listrik dalam logam dibentuk oleh elektron bebas, maka konduktivitas konduktor logam disebut konduktivitas elektronik.
Arus listrik dalam logam timbul di bawah pengaruh medan listrik luar. Elektron konduksi yang terletak di bidang ini dipengaruhi oleh kekuatan listrik, memberi mereka percepatan yang diarahkan ke arah yang berlawanan dengan vektor kekuatan medan. Akibatnya, elektron memperoleh kecepatan tambahan tertentu (disebut penyimpangan). Kecepatan ini meningkat hingga elektron bertabrakan dengan atom dalam kisi kristal logam. Selama tumbukan seperti itu, elektron kehilangan energi kinetik berlebihnya dan memindahkannya ke ion. Kemudian elektron kembali dipercepat oleh medan listrik, diperlambat lagi oleh ion, dan seterusnya. Kecepatan rata-rata perpindahan elektron sangat kecil, sekitar 10–4 m/s.
Kecepatan rambat arus dan kecepatan drift bukanlah hal yang sama. Kecepatan rambat arus sama dengan kecepatan rambat medan listrik di ruang angkasa, yaitu. 3⋅108 m/s.
Ketika bertabrakan dengan ion, elektron konduksi mentransfer sebagian energi kinetik ke ion, yang menyebabkan peningkatan energi gerak ion-ion kisi kristal, dan akibatnya, pemanasan konduktor.
Ketahanan logam
Resistensi logam dijelaskan oleh tumbukan elektron konduksi dengan ion kisi kristal. Dalam hal ini, tentu saja, semakin sering tumbukan tersebut terjadi, yaitu semakin pendek waktu tempuh bebas rata-rata sebuah elektron di antara tumbukan τ, semakin besar resistivitas logam
Pada gilirannya, waktu τ bergantung pada jarak antara ion kisi, amplitudo getarannya, sifat interaksi elektron dengan ion, dan kecepatan gerak termal elektron. Ketika suhu logam meningkat, amplitudo getaran ion dan kecepatan gerak termal elektron meningkat. Jumlah cacat kisi kristal juga meningkat. Semua ini mengarah pada fakta bahwa ketika suhu logam meningkat, tumbukan elektron dengan ion akan lebih sering terjadi, yaitu. waktu τ berkurang, dan resistivitas logam meningkat.
Eksperimen Mandelstam dan Papaleksi dalam menjelaskan gerak elektron
Jika sebuah elektron mempunyai massa, maka massanya, atau kemampuannya untuk bergerak secara inersia, harus diwujudkan di mana saja, tidak hanya di medan listrik. Ilmuwan Rusia L. I. Mandelstam (1879-1949; pendiri sekolah ahli radiofisika) dan N. D. Papaleksi (1880 - 1947; yang terbesar fisikawan Soviet, akademisi, ketua Dewan Ilmiah Seluruh Serikat tentang Radiofisika dan Teknik Radio di Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet) melakukan eksperimen asli pada tahun 1913. Mereka mengambil seutas kawat dan mulai memutarnya ke berbagai arah.
Mereka akan berputar, misalnya searah jarum jam, lalu tiba-tiba berhenti lalu kembali lagi.
Mereka beralasan seperti ini: jika elektron benar-benar memiliki massa, maka ketika kumparan tiba-tiba berhenti, elektron akan terus bergerak secara inersia selama beberapa waktu. Pergerakan elektron sepanjang kawat merupakan arus listrik. Itu terjadi sesuai rencana kami. Kami menghubungkan telepon ke ujung kabel dan mendengar suara. Karena suara terdengar di telepon, maka arus mengalir melaluinya.
Pengalaman Mandelstam dan Papaleksi diulangi pada tahun 1916 oleh ilmuwan Amerika Tolman dan Stewart. Mereka juga memutar kumparannya, tetapi alih-alih menggunakan telepon, mereka menghubungkan perangkat ke ujungnya untuk mengukur muatannya. Mereka tidak hanya berhasil membuktikan keberadaan massa elektron, tetapi juga mengukurnya. Data Tolman dan Stewart kemudian diperiksa dan disempurnakan berkali-kali oleh ilmuwan lain, dan kini Anda mengetahui bahwa massa elektron adalah 9,109 · 10-31 kilogram.
Saat menyiapkan eksperimen ini, kami melanjutkan dari pemikiran berikut. Jika terdapat muatan bebas pada suatu logam yang mempunyai massa, maka muatan tersebut harus mematuhi hukum inersia. Konduktor yang bergerak cepat, misalnya dari kiri ke kanan, adalah kumpulan atom logam yang bergerak ke arah tersebut, yang membawa muatan bebas. dengan mereka. Ketika konduktor seperti itu tiba-tiba berhenti, atom-atom yang termasuk dalam komposisinya berhenti; muatan bebas, karena inersia, harus terus bergerak dari kiri ke kanan hingga berbagai rintangan (tumbukan dengan atom yang berhenti) menghentikannya. Fenomena yang terjadi serupa dengan apa yang diamati ketika sebuah trem tiba-tiba berhenti, ketika benda-benda “lepas” dan orang-orang yang tidak terikat pada mobil terus bergerak maju selama beberapa waktu karena inersia.
1) ion bermuatan positif berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan, dan waktu singkat setelah konduktor berhenti, muatan bebas di dalamnya harus bergerak ke satu arah. Namun pergerakan muatan ke arah tertentu merupakan arus listrik. Oleh karena itu, jika alasan kita benar, maka setelah konduktor berhenti secara tiba-tiba, kita akan mengharapkan munculnya arus jangka pendek di dalamnya. Arah arus ini akan memungkinkan kita menilai tandanya. Mengenakan biaya. Jika mereka bergerak ke arah ini muatan negatif, maka arus harus diamati searah dari kanan ke kiri dan sebaliknya. Arus yang dihasilkan bergantung pada muatan dan kemampuan pembawanya untuk mempertahankan pergerakannya secara inersia selama kurang lebih lama, meskipun ada gangguan, misalnya pada massanya. Dengan demikian, percobaan ini tidak hanya memungkinkan untuk menguji asumsi tentang keberadaan muatan bebas dalam logam, tetapi juga untuk menentukan muatan itu sendiri, tandanya, dan massa pembawanya (lebih tepatnya, rasio muatan terhadap massa). elm).
Dalam implementasi praktis percobaan, ternyata lebih nyaman menggunakan bukan progresif, tetapi gerakan rotasi konduktor. Diagram percobaan tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2
Sebuah spiral kawat 1 dipasang pada sebuah kumparan di mana dua sumbu semi 00 diisolasi satu sama lain. Ujung-ujung spiral disolder ke kedua bagian sumbu dan, menggunakan kontak geser 2 (“sikat”), dihubungkan ke. galvanometer sensitif 3. Kumparan digerakkan masuk putaran cepat lalu tiba-tiba melambat. Percobaan sebenarnya mengungkapkan bahwa dalam hal ini timbul arus listrik di galvanometer. Arah arus ini menunjukkan bahwa muatan negatif bergerak secara inersia. Dengan mengukur muatan yang dibawa oleh arus jangka pendek ini, dimungkinkan untuk mengetahui rasio muatan bebas terhadap massa pembawanya. Rasio ini ternyata sama dengan e/m=l.8 · 1011 C/kg, yang bertepatan dengan nilai rasio elektron yang ditentukan dengan metode lain.
Konduktivitas elektronik logam pertama kali dibuktikan secara eksperimental oleh fisikawan Jerman E. Ricke pada tahun 1901. Melalui tiga silinder yang dipoles, ditekan erat satu sama lain - tembaga, aluminium, dan lagi tembaga - waktu yang lama(selama setahun) mengalirkan arus listrik. Total muatan yang dilewatkan selama waktu ini adalah sebesar 3,5·10 6 C. Karena massa atom tembaga dan aluminium berbeda secara signifikan satu sama lain, massa silinder harus berubah secara nyata jika pembawa muatannya adalah ion.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa massa masing-masing silinder tetap tidak berubah. Hanya sedikit jejak penetrasi timbal balik logam yang ditemukan pada permukaan yang bersentuhan, yang tidak melebihi hasil difusi atom biasa di padatan. Karena itu, media gratis Muatan pada logam bukanlah ion, melainkan partikel yang sama pada tembaga dan aluminium. Hanya elektron yang bisa menjadi partikel seperti itu.
Bukti langsung dan meyakinkan atas keabsahan asumsi ini diperoleh dalam eksperimen yang dilakukan pada tahun 1913 oleh L. I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi dan pada tahun 1916 oleh T. Stewart dan R. Tolman.
Sebuah kawat dililitkan pada sebuah kumparan, yang ujung-ujungnya disolder ke dua piringan logam yang diisolasi satu sama lain (Gbr. 1). Sebuah galvanometer dipasang pada ujung piringan menggunakan kontak geser.
Gulungan diputar dengan cepat dan kemudian dihentikan secara tiba-tiba. Setelah kumparan tiba-tiba berhenti, partikel bermuatan bebas akan bergerak sepanjang konduktor secara inersia selama beberapa waktu, dan akibatnya akan timbul arus listrik pada kumparan. Arus akan ada waktu singkat, karena hambatan konduktor, partikel bermuatan melambat dan pergerakan partikel yang teratur terhenti.
Arah arus menunjukkan bahwa arus tersebut diciptakan oleh pergerakan partikel bermuatan negatif. Muatan yang ditransfer dalam hal ini sebanding dengan rasio muatan partikel yang menghasilkan arus terhadap massanya, yaitu. . Oleh karena itu, dengan mengukur muatan yang melewati galvanometer selama keberadaan arus dalam rangkaian, rasio dapat ditentukan. Ternyata sama dengan 1,8·10 11 C/kg. Nilai ini bertepatan dengan rasio muatan elektron terhadap massanya, yang ditemukan sebelumnya dari percobaan lain.
Jadi, arus listrik dalam logam diciptakan oleh pergerakan partikel elektron bermuatan negatif. Menurut klasik teori elektron konduktivitas logam (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), konduktor logam dapat dianggap sebagai sistem fisik kombinasi dua subsistem:
- elektron bebas dengan konsentrasi ~ 10 28 m -3 dan
- ion bermuatan positif bergetar di sekitar posisi setimbang.
Kemunculan elektron bebas pada suatu kristal dapat dijelaskan sebagai berikut.
Ketika atom-atom bergabung menjadi kristal logam, atom-atom tersebut terikat paling lemah pada inti atom elektron terluar melepaskan diri dari atom (Gbr. 2). Oleh karena itu, pada simpul kisi kristal logam terdapat ion positif, dan di ruang di antara mereka, elektron-elektron yang tidak berhubungan dengan inti atomnya bergerak. Elektron ini disebut bebas atau elektron konduksi. Mereka melakukan gerakan kacau yang mirip dengan pergerakan molekul gas. Oleh karena itu, kumpulan elektron bebas pada logam disebut gas elektron.
Jika medan listrik eksternal diterapkan pada konduktor, maka gerakan terarah di bawah pengaruh gaya medan listrik ditumpangkan pada gerakan elektron bebas yang acak dan kacau, yang menghasilkan arus listrik. Kecepatan pergerakan elektron-elektron itu sendiri dalam suatu penghantar adalah beberapa sepersekian milimeter per detik, tetapi medan listrik yang timbul dalam penghantar menyebar ke seluruh panjang penghantar dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3 ·10 8 m/s).
Karena arus listrik dalam logam dibentuk oleh elektron bebas, maka konduktivitas konduktor logam disebut konduktivitas elektronik.
Elektron dipengaruhi kekuatan konstan, bekerja dari medan listrik, memperoleh kecepatan gerakan teratur tertentu (disebut drift). Kecepatan ini tidak bertambah seiring waktu, karena ketika bertabrakan dengan ion-ion kisi kristal, elektron mentransfer energi kinetik yang diperoleh dalam medan listrik ke kisi kristal. Untuk perkiraan pertama, kita dapat berasumsi bahwa pada jalur bebas rata-rata (ini adalah jarak yang ditempuh elektron antara dua tumbukan berturut-turut dengan ion), elektron bergerak dengan percepatan dan percepatan. kecepatan melayang meningkat secara linear terhadap waktu
Pada saat tumbukan, elektron mentransfer energi kinetik ke kisi kristal. Kemudian kecepatannya meningkat lagi, dan prosesnya berulang. Sebagai akibat kecepatan rata-rata pergerakan elektron yang teratur sebanding dengan kuat medan listrik dalam konduktor dan, oleh karena itu, dengan beda potensial di ujung-ujung konduktor, karena , di mana l adalah panjang konduktor.
Diketahui bahwa kuat arus dalam suatu penghantar sebanding dengan kecepatan gerak teratur partikel
Artinya, menurut penjelasan sebelumnya, kuat arus sebanding dengan beda potensial pada ujung-ujung penghantar: I ~ U. Demikian penjelasan kualitatif hukum Ohm berdasarkan teori elektronik klasik tentang konduktivitas logam.
Namun, kesulitan muncul dalam teori ini. Hal ini mengikuti teori bahwa resistivitas harus sebanding dengan akar kuadrat suhu (), sedangkan menurut pengalaman, ~ T. Selain itu, kapasitas panas logam, menurut teori ini, harus signifikan kapasitas panas yang lebih besar kristal monoatomik. Pada kenyataannya, kapasitas panas logam tidak jauh berbeda dengan kapasitas panas kristal non-logam. Kesulitan-kesulitan ini hanya dapat diatasi dalam teori kuantum.
Pada tahun 1911, fisikawan Belanda G. Kamerlingh-Onnes mempelajari perubahan tersebut hambatan listrik merkuri di suhu rendah, menemukan bahwa pada suhu sekitar 4 K (yaitu pada -269 ° C), resistivitas menurun secara tiba-tiba (Gbr. 3) hingga hampir nol. G. Kamerlingh-Onnes menyebut fenomena hilangnya hambatan listrik sebagai superkonduktivitas.
Belakangan diketahui lebih dari 25 unsur kimia- logam menjadi superkonduktor pada suhu yang sangat rendah. Masing-masing dari mereka memiliki miliknya sendiri suhu kritis transisi ke keadaan dengan resistensi nol. Nilai terendahnya untuk tungsten - 0,012K, tertinggi untuk niobium - 9K.
Superkonduktivitas diamati tidak hanya pada logam murni, tetapi juga pada banyak logam senyawa kimia dan paduan. Selain itu, unsur-unsur yang membentuk senyawa superkonduktor itu sendiri mungkin bukan superkonduktor. Misalnya, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb dan lainnya.
Zat dalam keadaan superkonduktor mempunyai sifat yang tidak biasa:
- arus listrik dalam superkonduktor dapat bertahan lama tanpa sumber arus;
- Tidak mungkin menciptakan medan magnet di dalam suatu zat dalam keadaan superkonduktor:
- medan magnet menghancurkan keadaan superkonduktivitas. Superkonduktivitas adalah fenomena yang dijelaskan dari sudut pandang teori kuantum. Deskripsinya yang agak rumit lebih dari itu kursus sekolah fisika.
Sampai saat ini, penggunaan superkonduktivitas secara luas terhambat oleh kesulitan yang terkait dengan kebutuhan pendinginan hingga suhu sangat rendah, yang menggunakan helium cair. Namun, terlepas dari kerumitan peralatan, kelangkaan, dan tingginya harga helium, sejak tahun 60-an abad ke-20, magnet superkonduktor telah dibuat tanpa kehilangan panas pada belitannya, yang secara praktis memungkinkan diperolehnya medan magnet yang kuat dalam waktu yang relatif lama. volume besar. Magnet inilah yang diperlukan untuk membuat instalasi terkendali. fusi termonuklir dengan kurungan plasma magnetik, untuk akselerator partikel bermuatan kuat. Superkonduktor digunakan dalam berbagai alat ukur, terutama pada instrumen untuk mengukur medan magnet yang sangat lemah dengan presisi yang ekstrim.
Saat ini, di saluran listrik, 10 - 15% energi dihabiskan untuk mengatasi hambatan kabel. Jalur superkonduktor atau setidaknya masukan ke dalamnya kota-kota besar akan membawa penghematan besar. Bidang penerapan superkonduktivitas lainnya adalah transportasi.
Sejumlah elemen logika dan penyimpanan berkecepatan tinggi untuk komputer telah dibuat berdasarkan film superkonduktor. Pada penelitian luar angkasa penggunaan solenoid superkonduktor cukup menjanjikan proteksi radiasi kosmonot, docking kapal, pengereman dan orientasinya, untuk mesin roket plasma.
Saat ini telah dibuat bahan keramik yang memiliki superkonduktivitas pada suhu lebih tinggi - lebih dari 100K, yaitu pada suhu di atas titik didih nitrogen. Kemampuan untuk mendinginkan superkonduktor nitrogen cair, yang memiliki panas penguapan yang jauh lebih tinggi, secara signifikan menyederhanakan dan mengurangi biaya semua peralatan kriogenik, dan menjanjikan dampak ekonomi yang besar.
Nilai suatu logam ditentukan secara langsung oleh sifat kimia dan fisiknya. Dalam kasus indikator seperti konduktivitas listrik, hubungan ini tidak begitu jelas. Logam paling konduktif secara listrik bila diukur indikator ini pada suhu kamar (+20 °C), - perak.
Tetapi biaya tinggi membatasi penggunaan komponen perak dalam teknik elektro dan mikroelektronika. Elemen perak pada perangkat tersebut hanya digunakan jika layak secara ekonomi.
Arti fisika dari konduktivitas
Penggunaan konduktor logam mempunyai sejarah yang panjang. Para ilmuwan dan insinyur yang bekerja di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi yang menggunakan listrik telah lama menentukan bahan untuk kabel, terminal, kontak, dll. Hal ini membantu untuk menentukan logam yang paling konduktif secara listrik di dunia. kuantitas fisik, disebut konduktivitas listrik.
Konsep konduktivitas adalah kebalikan dari hambatan listrik. Ekspresi kuantitatif konduktivitas berkaitan dengan satuan resistansi, yaitu sistem internasional satuan (SI) diukur dalam Ohm. Satuan SI adalah siemens. sebutan Rusia unit ini - Cm, internasional - S. Konduktivitas listrik Luas 1 cm ada petaknya jaringan listrik dengan resistansi 1 ohm.
Daya konduksi
Ukuran kemampuan suatu zat untuk menghantarkan arus listrik disebut. Logam yang paling menghantarkan listrik mempunyai indikator yang paling tinggi. Karakteristik ini dapat ditentukan secara instrumental untuk zat atau media apa pun dan dimilikinya ekspresi numerik. suatu konduktor silinder dengan satuan panjang dan satuan luas penampang berhubungan dengan resistivitas konduktor tersebut.
Satuan sistem untuk konduktivitas adalah siemens per meter - S/m. Untuk mengetahui logam mana yang merupakan logam yang paling konduktif secara listrik di dunia, cukup dengan membandingkan konduktivitasnya yang ditentukan secara eksperimental. Anda dapat menentukan resistivitas menggunakan perangkat khusus - mikroohmmeter. Karakteristik ini berbanding terbalik.
Konduktivitas logam
Konsep aliran partikel bermuatan yang terarah tampaknya lebih harmonis untuk zat yang didasarkan pada karakteristik kisi kristal logam. Pembawa muatan ketika arus listrik terjadi pada logam adalah elektron bebas, dan bukan ion, seperti halnya pada media cair. Telah ditetapkan secara eksperimental bahwa ketika arus terjadi pada logam, tidak ada perpindahan partikel materi antar konduktor.
Zat logam berbeda dari zat lain karena memiliki ikatan yang lebih longgar pada tingkat atom. Struktur dalam logam dibedakan berdasarkan keberadaannya jumlah besar elektron "kesepian". yang, dengan sedikit pengaruh gaya elektromagnetik, membentuk aliran terarah. Oleh karena itu, bukan tanpa alasan bahwa logam adalah penghantar arus listrik terbaik, dan memang demikianlah adanya interaksi molekuler dibedakan berdasarkan logam yang paling konduktif secara listrik. Sifat spesifik lain dari logam didasarkan pada fitur struktural kisi kristal logam - konduktivitas termal yang tinggi.
Konduktor terbaik adalah logam
4 logam memiliki signifikansi praktis untuk penggunaannya sebagai konduktor listrik, mereka didistribusikan dalam urutan berikut relatif terhadap nilai konduktivitas spesifik, diukur dalam S/m:
- Perak - 62.500.000.
- Tembaga - 59.500.000.
- Emas - 45.500.000.
- Aluminium - 38.000.000.
Terlihat bahwa logam yang paling menghantarkan listrik adalah perak. Namun seperti emas, ia digunakan untuk mengatur jaringan listrik hanya dalam kasus-kasus khusus dan khusus. Alasannya adalah biaya tinggi.
Namun tembaga dan aluminium adalah pilihan paling umum untuk peralatan listrik dan produk kabel karena ketahanannya yang rendah terhadap arus listrik dan harganya yang terjangkau. Logam lain jarang digunakan sebagai konduktor.
Faktor-faktor yang mempengaruhi konduktivitas logam
Bahkan logam yang paling konduktif secara listrik pun mengurangi konduktivitasnya jika mengandung bahan tambahan dan pengotor lainnya. Paduan memiliki struktur kisi kristal yang berbeda dari logam “murni”. Hal ini ditandai dengan pelanggaran simetri, retakan dan cacat lainnya. Konduktivitas juga menurun dengan meningkatnya suhu lingkungan.
Peningkatan resistensi yang melekat pada paduan digunakan dalam elemen pemanas. Bukan suatu kebetulan bahwa nichrome, fechral dan paduan lainnya digunakan untuk pembuatan elemen kerja tungku dan pemanas listrik.
Logam yang paling konduktif secara listrik adalah perak berharga, sebagian besar digunakan oleh pembuat perhiasan, untuk mencetak koin, dan lain-lain. Namun juga dalam teknologi dan pembuatan instrumen, bahan kimia khususnya dan sifat fisik banyak digunakan. Misalnya, selain digunakan pada komponen dan rakitan dengan resistansi rendah, pelapisan perak melindungi grup kontak dari oksidasi. Sifat unik perak dan paduan yang berbahan dasar perak sering kali membuat penggunaannya dapat dibenarkan, meskipun biayanya tinggi.
Mari kita perhatikan perilaku elektron konduksi dalam logam dalam keadaan tidak setimbang, ketika mereka bergerak di bawah pengaruh medan eksternal yang diterapkan. Proses seperti ini disebut fenomena transferensi.
Seperti diketahui, konduktivitas listrik (konduktivitas listrik) o adalah besaran yang menghubungkan rapat arus listrik dan tegangan masuk hukum setempat Ohm: j - oE(lihat rumus (14.15) bagian 1). Semua zat menurut sifat konduktivitas listriknya dibagi menjadi tiga kelas: logam, semikonduktor dan dielektrik.
Fitur karakteristik logam adalah konduktivitas logamnya - penurunan konduktivitas listrik dengan meningkatnya suhu (dengan konsentrasi pembawa arus yang konstan). Penyebab fisik hambatan listrik pada logam adalah hamburan gelombang elektron pada kotoran dan cacat kisi, serta pada fonon.
Fitur yang paling signifikan semikonduktor adalah kemampuan mereka untuk mengubah propertinya dalam batas yang sangat luas di bawah pengaruh berbagai pengaruh: suhu, medan listrik dan magnet, penerangan, dll. Misalnya, konduktivitas intrinsik semikonduktor murni meningkat secara eksponensial ketika dipanaskan.
Pada T> 300 K, konduktivitas spesifik o bahan yang berkaitan dengan semikonduktor bervariasi dalam rentang yang luas dari 10~ 5 hingga 10 6 (Ohm m) -1, sedangkan untuk logam o lebih dari 10 6 (Ohm m) -1.
Zat dengan rendah daya konduksi, memesan 10~ 5 (Ohm m) -1 atau kurang, lihat dielektrik. Konduktivitasnya terjadi pada titik yang sangat suhu tinggi.
Teori kuantum mengarah pada ekspresi konduktivitas listrik berikut logam:
Di mana N- konsentrasi elektron bebas; t - waktu relaksasi; T* - massa efektif sebuah elektron.
Waktu relaksasi mencirikan proses pembentukan keseimbangan antara elektron dan kisi, yang terganggu, misalnya, oleh penyertaan yang tiba-tiba bidang luar E.
Istilah “elektron bebas” berarti bahwa elektron tidak terpengaruh oleh apapun medan gaya. Pergerakan elektron konduksi dalam kristal di bawah pengaruh kekuatan eksternal F dan gaya dari kisi kristal dalam beberapa kasus dapat digambarkan sebagai gerakan elektron bebas, yang hanya dilakukan dengan kekerasan F(Hukum kedua Newton, lihat rumus (3.5) bagian 1), tetapi dengan massa efektif T*, berbeda dengan massa yaitu elektron bebas.
Perhitungan menggunakan ekspresi (30.18) menunjukkan bahwa konduktivitas listrik logam o~1/T. Eksperimen tersebut menegaskan hal tersebut kesimpulan ini teori kuantum, sedangkan menurut teori klasik
o ~ aku/fr.
DI DALAM semikonduktor konsentrasi pembawa bergerak jauh lebih rendah daripada konsentrasi atom dan dapat berubah seiring dengan perubahan suhu, pencahayaan, iradiasi dengan aliran partikel, paparan medan listrik, atau masuknya sejumlah kecil pengotor. Pembawa muatan pada semikonduktor pada pita konduksi adalah elektron (elektron konduksi), dan pada pita valensi - kuasipartikel bermuatan positif lubang. Ketika sebuah elektron hilang dari pita valensi karena sebab apa pun, maka dikatakan telah terbentuk lubang (keadaan kosong). Konsep lubang dan elektron konduksi digunakan untuk menjelaskan sistem elektronik semikonduktor, semilogam, dan logam.
Dalam keadaan kesetimbangan termodinamika, konsentrasi elektron dan lubang dalam semikonduktor bergantung pada suhu dan konsentrasi pengotor yang aktif secara elektrik, dan pada celah pita A. E.
Ada sendiri dan semikonduktor pengotor. Semikonduktor sendiri adalah semikonduktor murni secara kimia (misalnya, germanium Ge, selenium Se). Jumlah elektron di dalamnya sama dengan jumlah lubang. Daya konduksi semikonduktor seperti itu disebut memiliki.
Dalam semikonduktor intrinsik di T= OK pita valensi terisi penuh dan pita konduksi bebas. Oleh karena itu, kapan T= Dengan tidak adanya eksitasi eksternal, semikonduktor intrinsik berperilaku seperti dielektrik. Ketika suhu meningkat akibat eksitasi termal, elektron dari tingkat atas pita valensi akan berpindah ke pita konduksi. Pada saat yang sama, elektron pada pita valensi menjadi mungkin untuk berpindah ke pita yang dikosongkan tingkat atas. Elektron pada pita konduksi dan lubang pada pita valensi akan berkontribusi terhadap konduktivitas listrik.
Energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi disebut energi aktivasi konduktivitas sendiri.
Ketika medan listrik eksternal diterapkan pada kristal, elektron bergerak melawan medan dan menciptakan arus listrik. Di medan luar, ketika elektron valensi tetangga dipindahkan ke tempat yang kosong, sebuah lubang “terseret” ke tempatnya. Akibatnya, lubang, seperti elektron yang masuk ke pita konduksi, akan bergerak melintasi kristal, tetapi searah gerakan berlawanan elektron. Secara formal, sebuah partikel dengan muatan positif, setara nilai mutlak muatan elektron. Untuk memperhitungkan tindakan pada biaya dasar bidang dalam kristal untuk lubang, konsep massa efektif w* diperkenalkan. Oleh karena itu, ketika memecahkan masalah, kita dapat berasumsi bahwa sebuah lubang dengan massa efektif hanya bergerak di bawah pengaruh satu medan luar.
Pada medan luar, arah kecepatan elektron dan lubang berlawanan, tetapi arus listrik yang dihasilkannya memiliki arah yang sama – arah medan listrik. Jadi, rapat arus selama konduktivitas intrinsik semikonduktor adalah jumlah rapat arus elektron di e dan lubang di d:
Konduktivitas listrik o sebanding dengan jumlah pembawa, artinya dapat dibuktikan untuk semikonduktor intrinsik
dan tergantung pada suhu hukum eksponensial. Kontribusi elektron dan lubang terhadap o berbeda-beda, hal ini dijelaskan oleh perbedaan massa efektifnya.
Pada suhu yang relatif tinggi, konduktivitas intrinsik mendominasi di semua semikonduktor. Jika tidak, sifat listrik semikonduktor ditentukan oleh pengotor (atom unsur lain), dan kemudian kita bicarakan konduktivitas pengotor. Konduktivitas listrik akan terdiri dari konduktivitas intrinsik dan pengotor.
Semikonduktor pengotor disebut semikonduktor atom individu yang digantikan oleh kotoran. Konsentrasi elektron dan lubang di dalamnya berbeda secara signifikan. Kotoran yang menyediakan elektron disebut donor. Kotoran yang menangkap elektron dari pita valensi disebut akseptor.
Sebagai akibat dari masuknya pengotor ke dalam celah pita, tingkat energi elektronik tambahan yang diperbolehkan muncul di celah pita dekat atau di bawah pita konduksi ( tingkat donor), atau ke puncak pita valensi ( tingkat akseptor). Hal ini secara signifikan meningkatkan konduktivitas listrik semikonduktor.
Dalam semikonduktor tipe-i (dari bahasa Inggris, negatif - negatif) dengan pengotor donor, hal itu diwujudkan mekanisme konduksi elektronik. Konduktivitas di dalamnya dijamin oleh kelebihan elektron pengotor, yang valensinya satu unit lebih besar dari valensi atom utama.
Dalam semikonduktor tipe p (dari bahasa Inggris, positif - positif) dengan pengotor akseptor, hal itu diwujudkan mekanisme konduksi lubang. Konduktivitas di dalamnya disediakan oleh lubang karena masuknya pengotor, yang valensinya kurang dari valensi atom utama.
Bukti yang meyakinkan tentang realitas lubang positif diberikan oleh Efek aula(1879). Efek ini terdiri dari kemunculan logam (atau semikonduktor) dengan rapat arus y, ditempatkan dalam medan magnet DI DALAM, tambahan medan listrik dengan arah tegak lurus DI DALAM dan kamu. Penggunaan efek Hall (pengukuran koefisien Hall tergantung pada zat) memungkinkan untuk menentukan konsentrasi dan mobilitas pembawa muatan dalam suatu konduktor, serta untuk menentukan sifat konduktivitas semikonduktor (elektronik atau lubang).
Saat ini dalam pengembangan material untuk mikroelektronika bermacam-macam bahan semikonduktor, termasuk yang memiliki celah pita lebar. Sirkuit mikro semikonduktor dianggap sebagai salah satu bidang mikroelektronika yang menjanjikan, memungkinkan terciptanya sirkuit terintegrasi yang andal dan secara fungsional cukup kompleks.
