Metų laikai

Pradžia Pas mokytoją

Elektroninis laidumas

metalai

pradžioje buvo sukurta klasikinė elektroninė metalų laidumo teorija (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), kuri paprastai ir vaizdžiai paaiškino daugumą metalų elektrinių ir šiluminių savybių. Panagrinėkime kai kurias šios teorijos nuostatas.

Laisvieji elektronai

Metalinį laidininką sudaro:

1) teigiamo krūvio jonai, svyruojantys aplink pusiausvyros padėtį, ir 2) laisvieji elektronai, galintys judėti per visą laidininko tūrį. Taigi, elektrines savybes metalų yra dėl to, kad juose yra laisvųjų elektronų, kurių koncentracija yra 1028 m–3, o tai maždaug atitinka atomų koncentraciją. Šie elektronai vadinami laidumo elektronais. Jie susidaro pašalinus juos iš metalo atomų valentiniai elektronai. Tokie elektronai nepriklauso jokiam konkrečiam atomui ir gali judėti per visą kūno tūrį. Metalo nesant elektrinis laukas laidumo elektronai chaotiškai juda ir susiduria, dažniausiai su jonais kristalinė gardelė(1 pav.). Šių elektronų visuma apytiksliai gali būti laikoma tam tikra elektronų dujos, pagal įstatymus

idealios dujos

. Vidutinis elektronų šiluminio judėjimo greitis kambario temperatūroje yra maždaug 105 m/s.

1 pav Elektros srovė metaluose Metalinės kristalinės gardelės jonai nedalyvauja kuriant srovę. Jų judėjimas praeinant srovei reikštų medžiagos perkėlimą išilgai laidininko, kurio nepastebima. Pavyzdžiui, E. Riecke (1901) eksperimentuose masė ir

cheminė sudėtis laidininkas nepasikeitė, kai srovė praėjo metus. Eksperimentinį įrodymą, kad srovę metaluose sukuria laisvieji elektronai, eksperimentais pateikė L.I. Mandelstamas ir N.D.Papaleksi (1912, rezultatai neskelbti), taip pat T. Stewart ir R. Tolman (1916). Jie atrado, kad kai greitai besisukanti ritė staiga sustoja, a

elektros srovė

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

Elektros srovė metaluose atsiranda veikiant išoriniam elektriniam laukui. Šiame lauke esančius laidumo elektronus veikia elektrinė jėga, suteikiant jiems pagreitį, nukreiptą priešinga lauko stiprumo vektoriui kryptimi. Dėl to elektronai įgauna tam tikrą papildomą greitį (tai vadinama dreifu). Šis greitis didėja tol, kol elektronas nesusiduria su atomu metalinėje kristalinėje gardelėje. Tokių susidūrimų metu elektronai praranda kinetinės energijos perteklių, perduodami ją jonams. Tada elektronai vėl greitinami elektrinio lauko, vėl lėtinami jonais ir pan. Vidutinis elektronų dreifo greitis yra labai mažas, apie 10–4 m/s.

Dabartinis sklidimo greitis ir dreifo greitis nėra tas pats dalykas. Srovės sklidimo greitis lygus elektrinio lauko sklidimo greičiui erdvėje, t.y. 3⋅108 m/s.

Susidūrę su jonais laidumo elektronai dalį kinetinės energijos perduoda jonams, dėl to padidėja kristalinės gardelės jonų judėjimo energija, taigi, laidininkas įkaista.

Metalų atsparumas

Metalų varža paaiškinama laidumo elektronų susidūrimais su kristalinės gardelės jonais. Akivaizdu, kad šiuo atveju kuo dažniau tokie susidūrimai įvyksta, t. y. kuo trumpesnė vidutinė elektrono laisvos kelionės tarp susidūrimų laikas τ, tuo didesnis varža metalo

Savo ruožtu laikas τ priklauso nuo atstumo tarp gardelės jonų, jų virpesių amplitudės, elektronų sąveikos su jonais pobūdžio ir elektronų šiluminio judėjimo greičio. Didėjant metalo temperatūrai, didėja jonų virpesių amplitudė ir elektronų šiluminio judėjimo greitis. Taip pat daugėja kristalinės gardelės defektų. Visa tai veda prie to, kad kylant metalo temperatūrai dažniau įvyks elektronų susidūrimai su jonais, t.y. laikas τ mažėja, o metalo savitoji varža didėja.

Mandelštamo ir Papaleksi eksperimentas aiškinantis elektrono judėjimą

Jeigu elektronas turi masę, tai jo masė arba gebėjimas judėti pagal inerciją turėtų pasireikšti visur, ne tik elektriniame lauke. Rusijos mokslininkai L. I. Mandelštamas (1879-1949; radiofizikų mokyklos įkūrėjas) ir N. D. Papaleksi (1880 - 1947; didžiausias sovietų fizikas, akademikas, SSRS mokslų akademijos sąjunginės radiofizikos ir radijo inžinerijos mokslinės tarybos pirmininkas) atliko originalų eksperimentą 1913 m. Jie paėmė vielos ritę ir pradėjo ją sukti įvairiomis kryptimis.

Jie suksis, pavyzdžiui, pagal laikrodžio rodyklę, tada staiga sustos ir tada atgal.

Jie samprotavo maždaug taip: jei elektronai tikrai turi masę, tada, kai ritė staiga sustoja, elektronai kurį laiką turėtų judėti inercija. Elektronų judėjimas išilgai vielos yra elektros srovė. Atsitiko taip, kaip planavome. Prie laido galų prijungėme telefoną ir išgirdome garsą. Kadangi telefone girdimas garsas, juo teka srovė.

Mandelštamo ir Papaleksi patirtį 1916 metais pakartojo amerikiečių mokslininkai Tolmanas ir Stewartas. Jie taip pat susuko ritę, tačiau vietoj telefono prie jo galų prijungė prietaisą įkrovai matuoti. Jiems pavyko ne tik įrodyti elektronų masės egzistavimą, bet ir ją išmatuoti. Tolmano ir Stewarto duomenis tada daug kartų tikrino ir patikslino kiti mokslininkai, o dabar žinote, kad elektrono masė yra 9,109 10-31 kilogramas.

Rengdami šiuos eksperimentus rėmėmės tokia mintimi. Jei metale yra laisvų krūvių, turinčių masę, jie turi paklusti inercijos dėsniui. Greitai judantis laidininkas, pavyzdžiui, iš kairės į dešinę, yra šia kryptimi judančių metalo atomų rinkinys, kuris kartu neša laisvuosius krūvius. su jais. Kai toks laidininkas staiga sustoja, jo sudėtyje esantys atomai sustoja; laisvieji krūviai pagal inerciją turi toliau judėti iš kairės į dešinę, kol įvairios kliūtys (susidūrimai su sustojusiais atomais) juos sustabdys. Atsirandantis reiškinys panašus į tai, kas stebima staiga sustojus tramvajui, kai „palaidi“ daiktai ir neprisikabinę žmonės inercija kurį laiką toliau juda į priekį.

1) teigiamo krūvio jonai, svyruojantys aplink pusiausvyros padėtį, ir trumpas laikas laidininkui sustojus, jame esantys laisvieji krūviai turi judėti viena kryptimi. Tačiau krūvių judėjimas tam tikra kryptimi yra elektros srovė. Vadinasi, jei mūsų samprotavimai teisingi, tai po staigaus laidininko sustojimo turėtume tikėtis jame trumpalaikės srovės atsiradimo. Šios srovės kryptis leis mums spręsti apie ženklą. Įkrauti. Jei jie judės šia kryptimi neigiami krūviai, tada reikia stebėti srovę kryptimi iš dešinės į kairę ir atvirkščiai. Gaunama srovė priklauso nuo krūvių ir jų nešėjų gebėjimo išlaikyti savo judėjimą inercija daugiau ar mažiau ilgą laiką, nepaisant trukdžių, ty nuo jų masės. Taigi šis eksperimentas leidžia ne tik patikrinti prielaidą apie laisvųjų krūvių buvimą metale, bet ir nustatyti pačius krūvius, jų ženklą bei jų nešėjų masę (tiksliau krūvio ir masės santykį). guoba).

Praktiškai įgyvendinant eksperimentą pasirodė patogiau naudoti ne progresyvų, o sukamasis judėjimas dirigentas. Tokio eksperimento schema parodyta 2 pav.

2 pav

Ant ritės sumontuota vielos spiralė 1, į kurią viena nuo kitos yra izoliuotos dvi pusiau ašys 00. Spiralės galai yra prilituoti prie abiejų ašies pusių ir, naudojant slankiuosius kontaktus 2 ("šepečius"), sujungiami. jautrus galvanometras 3. Įkišama ritė greitas sukimasis ir tada staiga sulėtėjo. Eksperimentas iš tikrųjų atskleidė, kad šiuo atveju galvanometre atsirado elektros srovė. Šios srovės kryptis parodė, kad neigiami krūviai juda pagal inerciją. Išmatavus šios trumpalaikės srovės nešamą krūvį, buvo galima rasti laisvojo krūvio ir jo nešiklio masės santykį. Šis santykis pasirodė lygus e/m=l,8 1011 C/kg, kas gerai sutampa su kitais metodais nustatyta šio santykio reikšme elektronams.

Metalų elektroninį laidumą pirmą kartą eksperimentiškai įrodė vokiečių fizikas E. Ricke'as 1901 m. Per tris sandariai vienas prie kito prispaustus poliruotus cilindrus - varį, aliuminį ir vėl varį - ilgą laiką(metus) praėjo elektros srovė. Bendras per tą laiką praleistas įkrovimas 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.

Eksperimentiniai rezultatai parodė, kad kiekvieno cilindro masė išliko nepakitusi. Kontaktiniuose paviršiuose aptikti tik nedideli metalų tarpusavio įsiskverbimo pėdsakai, kurie neviršijo įprastos atomų difuzijos rezultatų. kietosios medžiagos. Vadinasi, nemokama žiniasklaida Krūvis metaluose yra ne jonai, o dalelės, kurios yra vienodos ir varyje, ir aliuminyje. Tokios dalelės gali būti tik elektronai.

Tiesioginis ir įtikinamas šios prielaidos pagrįstumo įrodymas buvo gautas 1913 metais L. I. Mandelstamo ir N. D. Papaleksi bei 1916 metais T. Stewarto 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. Ritei staiga sustojus, laisvos įkrautos dalelės kurį laiką judės išilgai laidininko inercijos būdu, todėl ritėje atsiras elektros srovė. Srovė egzistuos trumpas laikas, 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 sukuriančių dalelių krūvio ir jų masės santykiui, t.y. . Todėl išmatavus krūvį, einantį per galvanometrą per visą srovės egzistavimą grandinėje, buvo galima nustatyti santykį. Paaiškėjo, kad jis lygus 1,8·10 11 C/kg. Ši vertė sutampa su elektrono krūvio ir jo masės santykiu, kuris buvo nustatytas anksčiau iš kitų eksperimentų.

Taigi elektros srovė metaluose susidaro judant neigiamai įkrautoms elektronų dalelėms. Pagal klasiką elektronų teorija metalų laidumas (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), metaliniu laidininku galima laikyti fizinę sistemą dviejų posistemių derinys:

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.

Kai atomai susijungia į metalinį kristalą, tie silpniausiai susijungia su atomo branduoliu išoriniai elektronai atitrūkti nuo atomų (2 pav.). Todėl metalinės kristalinės gardelės mazguose yra teigiami jonai, o erdvėje tarp jų juda elektronai, nesusiję su jų atomų branduoliais. Šie elektronai vadinami nemokamai arba laidumo elektronai. Jie atlieka chaotišką judesį, panašų į dujų molekulių judėjimą. Todėl laisvųjų elektronų sankaupa metaluose vadinama elektronų dujos.

Jei laidininkui taikomas išorinis elektrinis laukas, tai nukreiptas judėjimas, veikiamas elektrinio lauko jėgų, uždedamas atsitiktiniam chaotiškam laisvųjų elektronų judėjimui, kuris sukuria elektros srovę. Pačių elektronų judėjimo laidininke greitis yra kelios milimetro dalys per sekundę, tačiau laidininke atsirandantis 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.

Įtakojo elektronai nuolatinė jėga, veikdami iš elektrinio lauko, įgyja tam tikrą tvarkingo judėjimo greitį (tai vadinama dreifu). Šis greitis laikui bėgant toliau nedidėja, nes susidūrę su kristalinės gardelės jonais elektronai perduoda elektriniame lauke įgytą kinetinę energiją į kristalinę gardelę. Pirmiausia galime daryti prielaidą, kad vidutiniame laisvajame kelyje (tai atstumas, kurį elektronas nukeliauja tarp dviejų nuoseklių susidūrimų su jonais) elektronas juda su pagreičiu ir dreifo greitis su laiku didėja tiesiškai

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

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

o tai pagal ankstesnįjį reiškia, kad srovės stipris yra proporcingas potencialų skirtumui laidininko galuose: I ~ U. Tai kokybinis Ohmo dėsnio paaiškinimas, pagrįstas klasikine elektronine metalų laidumo teorija.

Tačiau šioje teorijoje iškilo sunkumų. Iš teorijos išplaukė, kad savitoji varža turi būti proporcinga temperatūros kvadratinei šaknei (), tuo tarpu, remiantis patirtimi, ~ T. Be to, metalų šiluminė talpa pagal šią teoriją turėtų būti reikšminga. daugiau šilumos talpos monatominiai kristalai. Realiai metalų šiluminė talpa mažai skiriasi nuo nemetalinių kristalų šiluminės talpos. Šie sunkumai buvo įveikti tik m kvantinė teorija.

Olandų fizikas G. Kamerlinghas-Onnesas, tyrinėdamas pokyčius 1911 m. elektrinė varža gyvsidabris at žemos temperatūros, atrado, kad esant maždaug 4 K temperatūrai (t.y. -269 °C), savitoji varža staigiai sumažėja (3 pav.) iki beveik nulio. G. Kamerlingh-Onnes šį elektrinės varžos reiškinį pavadino nykstančiu superlaidumu.

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

Superlaidumas pastebimas ne tik grynuose metaluose, bet ir daugelyje cheminiai junginiai ir lydiniai. Be to, patys elementai, sudarantys superlaidų junginį, negali būti superlaidininkai. Pavyzdžiui, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb ir kiti.

Superlaidžioje būsenoje esančios medžiagos turi neįprastų savybių:

1. elektros srovė superlaidininke gali egzistuoti ilgą laiką be srovės šaltinio;
2. Superlaidžios būsenos medžiagos viduje neįmanoma sukurti magnetinio lauko:
3. magnetinis laukas naikina superlaidumo būseną. Superlaidumas yra reiškinys, paaiškinamas kvantinės teorijos požiūriu. Jo gana sudėtingas aprašymas yra daugiau nei mokyklos kursas fizika.

Dar visai neseniai plačiai taikyti superlaidumą trukdė sunkumai, susiję su būtinybe aušinti iki itin žemos temperatūros, kuriai buvo naudojamas skystas helis. Tačiau, nepaisant įrangos sudėtingumo, helio trūkumo ir didelių sąnaudų, nuo XX amžiaus šeštojo dešimtmečio superlaidieji magnetai buvo sukurti be šilumos nuostolių jų apvijose, todėl praktiškai buvo įmanoma gauti stiprius magnetinius laukus santykinai. dideli kiekiai. Būtent šie magnetai reikalingi kuriant valdomus įrenginius. termobranduolinė sintezė su magnetiniu plazmos uždarymu, skirtas galingiems dalelių greitintuvams. Superlaidininkai naudojami įvairiuose matavimo prietaisuose, pirmiausia prietaisuose, skirtuose itin tiksliai matuoti labai silpnus magnetinius laukus.

Šiuo metu elektros linijose laidų varžoms įveikti sunaudojama 10 - 15% energijos. Superlaidžios linijos arba bent įėjimai į didieji miestai leis daug sutaupyti. Kita superlaidumo taikymo sritis yra transportas.

Superlaidžių plėvelių pagrindu sukurta nemažai didelės spartos loginių ir saugojimo elementų kompiuteriams. At kosmoso tyrimai superlaidžių solenoidų naudojimas yra perspektyvus radiacinė apsauga kosmonautai, laivų prijungimas, jų stabdymas ir orientacija, 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 vėsinti superlaidininkus skysto azoto, kurios garavimo šiluma yra daug didesnė, žymiai supaprastina ir sumažina visos kriogeninės įrangos kainą bei žada didžiulį ekonominį efektą.

Metalų vertę tiesiogiai lemia jų cheminės ir fizinės savybės. Rodiklio, pavyzdžiui, elektros laidumo, atveju šis ryšys nėra toks paprastas. Matuojant labiausiai elektrai laidus metalas šis rodiklis kambario temperatūroje (+20 °C), - sidabro.

Bet didelė kaina riboja sidabrinių dalių naudojimą elektrotechnikoje ir mikroelektronikoje. Sidabriniai elementai tokiuose įrenginiuose naudojami tik tuo atveju, jei tai ekonomiškai įmanoma.

Fizinė laidumo reikšmė

Metalinių laidininkų naudojimas turi ilgą istoriją. Mokslininkai ir inžinieriai, dirbantys mokslo ir technologijų srityse, kuriose naudojama elektra, jau seniai sprendė dėl medžiagų laidams, gnybtams, kontaktams ir kt. Tai padeda nustatyti elektrai laidiausią metalą pasaulyje. fizinis kiekis, vadinamas elektros laidumu.

Laidumo sąvoka yra atvirkštinė elektrinė varža. Kiekybinė laidumo išraiška yra susijusi su pasipriešinimo vienetu, kuris yra tarptautinė sistema vienetai (SI) matuojami omais. SI vienetas yra siemens. Rusijos pavadinimasšio vieneto - cm, tarptautinis - S. Elektros laidumas 1 cm plote yra sklypas elektros tinklas kurių varža 1 omas.

Laidumas

Medžiagos gebėjimo pravesti elektros srovę matas vadinamas elektrai laidžiausiu metalu, kurio toks rodiklis yra didžiausias. Šią charakteristiką galima nustatyti instrumentiškai bet kuriai medžiagai ar terpei ir turi skaitinė išraiška. vienetinio ilgio ir vienetinio skerspjūvio ploto cilindrinio laido vertė yra susijusi su šio laidininko varža.

Sisteminis laidumo vienetas yra siemens vienam metrui - S/m. Norint išsiaiškinti, kuris metalas yra laidiausias elektrai pasaulyje, pakanka palyginti eksperimentiškai nustatytus jų laidumus. Atsparumą galite nustatyti naudodami specialų prietaisą - mikroohmetrą. Šios savybės yra atvirkščiai priklausomos.

Metalų laidumas

Pati kryptingo įkrautų dalelių srauto samprata atrodo harmoningesnė medžiagoms, kurių pagrindą sudaro metalams būdingos kristalinės gardelės. Krūvio nešikliai, kai metaluose atsiranda elektros srovė, yra laisvieji elektronai, o ne jonai, kaip yra skystos terpės. Eksperimentiškai nustatyta, kad esant srovei metaluose, tarp laidininkų nevyksta medžiagos dalelių pernešimas.

Metalinės medžiagos skiriasi nuo kitų tuo, kad turi laisvesnes jungtis atominiame lygmenyje. Vidinė struktūra metalai išsiskiria buvimu didelis skaičius„vieniši“ elektronai. kurios, esant menkiausiam elektromagnetinių jėgų poveikiui, sudaro kryptingą srautą. Todėl ne veltui metalai yra geriausi elektros srovės laidininkai, o būtent tokie molekulinės sąveikos išskirtas kaip labiausiai elektrai laidus metalas. Kita specifinė metalų savybė pagrįsta metalų kristalinės gardelės struktūrinėmis savybėmis – dideliu šilumos laidumu.

Geriausi laidininkai – metalai

4 metalai, turintys praktinę reikšmę Kad jie būtų naudojami kaip elektros laidininkai, jie paskirstomi tokia tvarka, atsižvelgiant į savitojo laidumo vertę, išmatuotą S/m:

1. Sidabras – 62 500 000.
2. Varis – 59 500 000.
3. Auksas – 45 500 000.
4. Aliuminis – 38 000 000.

Matyti, kad elektrai laidiausias metalas yra sidabras. Bet kaip ir auksas, jis naudojamas elektros tinklui organizuoti tik ypatingais konkrečiais atvejais. Priežastis yra didelė kaina.

Tačiau varis ir aliuminis yra labiausiai paplitęs elektros prietaisų ir kabelių gaminių pasirinkimas dėl mažo atsparumo elektros srovei ir įperkamumo. Kiti metalai retai naudojami kaip laidininkai.

Metalų laidumą įtakojantys veiksniai

Netgi labiausiai elektrai laidus metalas sumažina savo laidumą, jei jame yra kitų priedų ir priemaišų. Lydinių kristalinės gardelės struktūra skiriasi nuo „grynųjų“ metalų. Jam būdingas simetrijos pažeidimas, įtrūkimai ir kiti defektai. Didėjant aplinkos temperatūrai, mažėja ir laidumas.

Padidėjęs atsparumas, būdingas lydiniams, naudojamas kaitinimo elementuose. Neatsitiktinai nichromas, fechralas ir kiti lydiniai naudojami elektrinių krosnių ir šildytuvų darbiniams elementams gaminti.

Labiausiai elektrai laidus metalas yra brangusis sidabras, kurį dažniausiai naudoja juvelyrai, monetoms kaldinti ir kt. Taip pat technologijoje ir instrumentų gamyboje, jo specialios cheminės ir fizines savybes yra plačiai naudojami. Pavyzdžiui, ne tik naudojamas komponentuose ir mazguose, kurių atsparumas yra mažesnis, bet ir sidabro padengimas apsaugo kontaktines grupes nuo oksidacijos. Dėl unikalių sidabro ir jo pagrindu pagamintų lydinių savybių jo naudojimas dažnai pateisinamas, nepaisant didelių sąnaudų.

Panagrinėkime laidumo elektronų elgseną nepusiausvyros būsenos metale, kai jie juda veikiami išorinių laukų. Tokie procesai vadinami perkėlimo reiškiniai.

Kaip žinoma, elektros laidumas (elektros laidumas) o yra dydis, susijęs su elektros srovės tankiu ir įtampa in vietinis įstatymas Om: j - oE(žr. (14.15) formulės 1 dalį). Visos medžiagos pagal elektrinio laidumo pobūdį skirstomos į tris klases: metalus, puslaidininkius ir dielektrikus.

Būdingas bruožas metalai yra jų metalinis laidumas – elektros laidumo mažėjimas didėjant temperatūrai (esant pastoviai srovės nešėjų koncentracijai). Fizinė metalų elektrinės varžos priežastis yra sklaida elektronų bangos ant priemaišų ir grotelių defektų, taip pat ant fononų.

Svarbiausia savybė puslaidininkiai yra jų gebėjimas paveikti keisti savo savybes itin plačiose ribose įvairios įtakos: temperatūra, elektriniai ir magnetiniai laukai, apšvietimas ir kt. Pavyzdžiui, vidinis laidumas grynų puslaidininkių kaitinant padidėja eksponentiškai.

At T> 300 K, su puslaidininkiais susijusių medžiagų savitasis laidumas o kinta plačiame diapazone nuo 10~ 5 iki 10 6 (Om m) -1, o metalų o yra didesnis nei 10 6 (Om m) -1.

Medžiagos, turinčios mažai laidumas, užsisakyti 10~ 5 (Om m) -1 arba mažiau, žr dielektrikai. Jų laidumas būna labai aukšta temperatūra.

Kvantinė teorija veda į tokią elektros laidumo išraišką metalai:

Kur n- laisvųjų elektronų koncentracija; t - atsipalaidavimo laikas; T* - efektyvioji elektrono masė.

Atsipalaidavimo laikas apibūdina pusiausvyros tarp elektronų ir gardelės nustatymo procesą, sutrikdytą, pavyzdžiui, staigaus įtraukimo išorinis laukas E.

Sąvoka „laisvasis elektronas“ reiškia, kad elektrono jokia neveikia jėgos laukai. Laidumo elektrono judėjimas kristale veikiant išorinė jėga F o jėgos iš kristalinės gardelės kai kuriais atvejais gali būti apibūdinamos kaip judėjimas laisvasis elektronas, kuri veikiama tik jėga F(Antrasis Niutono dėsnis, žr. (3.5) formulės 1 dalį), bet su efektyvi masė T*, skiriasi nuo masės t.y. laisvasis elektronas.

Skaičiavimai naudojant (30.18) išraišką rodo, kad metalų elektrinis laidumas o~1/T. Eksperimentas patvirtina šią išvadą kvantinė teorija, tuo tarpu pagal klasikinę teoriją

o ~ l/fr.

IN puslaidininkiai mobiliųjų nešėjų koncentracija yra žymiai mažesnė už atomų koncentraciją ir gali keistis keičiantis temperatūrai, apšvietimui, švitinant dalelių srautu, veikiant elektriniam laukui ar įvedant santykinai nedidelį kiekį priemaišų. Krūvio nešikliai puslaidininkiuose laidumo juostoje yra elektronai (laidumo elektronai), o valentinėje juostoje - teigiamai įkrautos kvazidalelės skyles. Kai dėl kokios nors priežasties valentinėje juostoje trūksta elektrono, sakoma, kad jis suformavo skylę (laisvą būseną). Apibūdinimui naudojamos skylių ir laidumo elektronų sąvokos elektronine sistema puslaidininkiai, pusmetaliai ir metalai.

Termodinaminės pusiausvyros būsenoje elektronų ir skylių koncentracijos puslaidininkiuose priklauso tiek nuo temperatūros ir elektriškai aktyvių priemaišų koncentracijos, tiek nuo juostos tarpo A. E.

Yra savų ir priemaišų puslaidininkiai. Nuosavi puslaidininkiai yra chemiškai gryni puslaidininkiai (pavyzdžiui, germanis Ge, selenas Se). Elektronų skaičius juose lygus skylių skaičiui. Laidumas tokie puslaidininkiai vadinami savo.

Vidiniuose puslaidininkiuose at T= O K valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta yra laisva. Todėl kai T = Jei nėra išorinio sužadinimo, vidiniai puslaidininkiai elgiasi kaip dielektrikai. Kylant temperatūrai dėl šiluminio sužadinimo, elektronai iš viršutinių valentinės juostos lygių pereis į laidumo juostą. Tuo pačiu metu valentinės juostos elektronai gali pereiti prie jų atlaisvintų viršutiniai lygiai. Elektronai laidumo juostoje ir skylės valentinėje juostoje prisidės prie elektros laidumo.

Energija, reikalinga elektronui perkelti iš valentinės juostos į laidumo juostą, vadinama aktyvacijos energija savo laidumą.

Kai kristalą veikia išorinis elektrinis laukas, elektronai juda prieš lauką ir sukuria elektros srovę. Išoriniame lauke, kai kaimyninis valentinis elektronas perkeliamas į laisvą vietą, į jo vietą „išmaišoma“ skylė. Dėl to skylė, kaip ir elektronas, patekęs į laidumo juostą, judės per kristalą, bet ta kryptimi priešingas judėjimas elektronas. Formaliai dalelė su teigiamas krūvis, lygus absoliuti vertė elektronų krūvis. Atsiskaityti už veiksmą elementarieji mokesčiai vidinis laukas kristalas skylėms, įvedama efektyviosios masės w* sąvoka. Todėl spręsdami uždavinius galime daryti prielaidą, kad efektyvios masės skylė juda tik veikiama vieno išorinio lauko.

Išoriniame lauke elektronų ir skylių greičių kryptis yra priešinga, tačiau jų sukuriama elektros srovė turi tą pačią kryptį – elektrinio lauko kryptį. Taigi, srovės tankis esant vidiniam puslaidininkio laidumui yra elektronų srovės tankio taške e ir skylių, esančių ties d, suma:

Elektros laidumas o yra proporcingas nešlių skaičiui, o tai reiškia, kad galima įrodyti, kad vidiniams puslaidininkiams

ir priklauso nuo temperatūros eksponentinė teisė. Elektronų ir skylių indėlis į o yra skirtingas, o tai paaiškinama jų efektyviųjų masių skirtumais.

Esant gana aukštai temperatūrai, visuose puslaidininkiuose vyrauja savitasis laidumas. Kitu atveju puslaidininkio elektrines savybes lemia priemaišos (kitų elementų atomai), o tada kalbame apie priemaišų laidumas. Elektros laidumą sudarys vidinis ir priemaišinis laidumas.

Priemaišiniai puslaidininkiai vadinami puslaidininkiais atskiri atomai kurios pakeičiamos priemaišomis. Elektronų ir skylių koncentracija juose labai skiriasi. Priemaišos, kurios yra elektronų šaltiniai, vadinamos donorų. Priemaišos, kurios sugauna elektronus iš valentinės juostos, vadinamos priėmėjų.

Į juostos tarpą patekus priemaišai, juostos tarpelyje šalia laidumo juostos arba jos apačioje atsiranda papildomi leistini elektroninės energijos lygiai ( donorų lygiai), arba į valentinės juostos viršų ( akceptoriaus lygiai). Tai žymiai padidina puslaidininkių elektrinį laidumą.

I tipo puslaidininkiuose (iš anglų kalbos, neigiamas - neigiamas) su donorine priemaiša realizuojama elektroninio laidumo mechanizmas. Laidumą juose užtikrina priemaišos elektronų perteklius, kurių valentingumas yra vienetu didesnis už pagrindinių atomų valentiškumą.

P tipo puslaidininkiuose (iš anglų kalbos, teigiamas - teigiamas) su akceptoriaus priemaiša, tai realizuojama skylės laidumo mechanizmas. Laidumą juose užtikrina skylės, atsiradusios dėl priemaišos, kurios valentingumas yra vienu mažesnis nei pagrindinių atomų valentingumas.

Įtikinamą teigiamų skylių tikrovės įrodymą pateikia Salės efektas(1879). Šis efektas susideda iš atsiradimo metale (arba puslaidininkyje), kurio srovės tankis y, patalpintame magnetiniame lauke IN, papildomas elektrinis laukas statmena kryptimi IN ir u. Holo efekto naudojimas (Holės koeficiento matavimas priklausomai nuo medžiagos) leidžia nustatyti krūvininkų koncentraciją ir judrumą laidininke, taip pat nustatyti puslaidininkio laidumo pobūdį (elektroninį ar skylę).

Šiuo metu kuriant medžiagas mikroelektronikai, įvairios puslaidininkinės medžiagos, įskaitant tuos, kurių diapazonas yra platus. Puslaidininkiniai mikroschemos laikomos viena perspektyviausių mikroelektronikos sričių, leidžiančių sukurti patikimas ir funkciškai sudėtingas integrines grandynas.