Перевозчик заряда

В физике твердого тела носителем заряда является частица или квазичастица , которая может свободно двигаться, неся электрический заряд , особенно частицы, которые несут электрические заряды в электрических проводниках . ^[1] Примерами являются электроны , ионы и дырки . ^[2] В проводящей среде электрическое поле может оказывать воздействие на эти свободные частицы, вызывая суммарное движение частиц через среду; это то, что представляет собой электрический ток . ^[3] Электрон элементарный и протон являются элементарными носителями заряда , каждый из которых несет один заряд ( е ) одинаковой величины и противоположного знака .

В проводниках

В проводящих средах частицы служат переносчиками заряда:

Во многих металлах носителями заряда являются электроны . Один или два валентных электрона каждого атома могут свободно перемещаться внутри кристаллической структуры металла. ^[4] Свободные электроны называются электронами проводимости , а облако свободных электронов называется ферми-газом . ^[5]^[6] Многие металлы имеют электронные и дырочные зоны. В некоторых большинство носителей являются дырками. ^{[ нужна ссылка ]}
В электролитах , таких как соленая вода , носителями заряда являются ионы . ^[6] которые представляют собой атомы или молекулы, которые приобрели или потеряли электроны, поэтому они имеют электрический заряд. Атомы, которые присоединили электроны и стали отрицательно заряженными, называются анионами , а атомы, которые потеряли электроны и стали положительно заряженными, называются катионами . ^[7] Катионы и анионы диссоциированной жидкости также служат носителями заряда в расплавленных ионных твердых телах ( см., например, в процессе Холла-Эру пример электролиза расплавленного ионного твердого тела ). Протонные проводники — это электролитические проводники, в которых в качестве переносчиков используются положительные ионы водорода. ^[8]
В плазме , электрически заряженном газе, который находится в электрических дугах через воздух, неоновые вывески , солнце и звезды, электроны и катионы ионизированного газа действуют как носители заряда. ^[9]
В вакууме свободные электроны могут выступать в качестве носителей заряда. В электронном компоненте, известном как вакуумная лампа (также называемая клапаном ), подвижное электронное облако генерируется нагретым металлическим катодом в результате процесса, называемого термоэлектронной эмиссией . ^[10] Когда электрическое поле прикладывается достаточно сильно, чтобы вовлечь электроны в луч, это можно назвать катодным лучом , и оно является основой дисплея с электронно-лучевой трубкой, широко используемого в телевизорах и компьютерных мониторах до 2000-х годов. ^[11]
В полупроводниках , материалах, используемых для изготовления электронных компонентов, таких как транзисторы и интегральные схемы , возможны два типа носителей заряда. В полупроводниках p-типа « эффективные частицы », известные как электронные дырки с положительным зарядом, движутся через кристаллическую решетку, создавая электрический ток. «Дырки», по сути, представляют собой электронные вакансии в электронной заселенности валентной зоны полупроводника и рассматриваются как носители заряда, поскольку они подвижны, перемещаясь от атомного узла к атомному узлу. В полупроводниках n-типа электроны в зоне проводимости движутся через кристалл, в результате чего возникает электрический ток.

В некоторых проводниках, например ионных растворах и плазме, сосуществуют положительные и отрицательные носители заряда, поэтому в этих случаях электрический ток состоит из двух типов носителей, движущихся в противоположных направлениях. В других проводниках, например в металлах, имеются носители заряда только одной полярности, поэтому электрический ток в них просто состоит из носителей заряда, движущихся в одном направлении.

В полупроводниках

Есть два признанных типа носителей заряда в полупроводниках . Одним из них являются электроны , которые несут отрицательный электрический заряд . удобно рассматривать бегущие вакансии в заселении электронов валентной зоны ( дырки ). Кроме того, в качестве второго типа носителей заряда, несущих положительный заряд, равный по величине электрону, ^[12]

Генерация носителей и рекомбинация

Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют , и эти свободные носители фактически исчезают. ^[13] Выделяющаяся энергия может быть либо тепловой, нагревая полупроводник ( термическая рекомбинация , один из источников отходящего тепла в полупроводниках), либо выделяться в виде фотонов ( оптическая рекомбинация , используемая в светодиодах и полупроводниковых лазерах ). ^[14] Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние валентной зоны, известное как дырки. Дырки — это пустые состояния, возникающие в валентной зоне, когда электрон возбуждается после получения некоторой энергии для прохождения энергетической щели.

Мажоритарные и миноритарные перевозчики

Более распространенные носители заряда называются основными носителями заряда , которые в первую очередь ответственны за перенос тока в полупроводнике. В полупроводниках n-типа это электроны, а в полупроводниках p-типа — дырки. Менее распространенные носители заряда называются неосновными носителями ; в полупроводниках n-типа это дырки, а в полупроводниках p-типа — электроны. ^[15]

В собственном полупроводнике , не содержащем никаких примесей, концентрации носителей обоих типов идеально равны. Если собственный полупроводник легирован донорной примесью, то основными носителями являются электроны. Если полупроводник легирован акцепторной примесью, то основными носителями являются дырки. ^[16]

Неосновные носители играют важную роль в биполярных транзисторах и солнечных элементах . ^[17] Их роль в полевых транзисторах (FET) немного сложнее: например, MOSFET имеет области p-типа и n-типа. В действии транзистора участвуют основные носители областей истока и стока , но эти носители пересекают тело противоположного типа, где они являются неосновными носителями. Однако число пересекающих носителей значительно превосходит их противоположный тип в области переноса (фактически носители противоположного типа удаляются приложенным электрическим полем, создающим инверсионный слой ), поэтому традиционно принято обозначение истока и стока для носителей, и Полевые транзисторы называются устройствами с «основной несущей». ^[18]

Концентрация свободных носителей

Концентрация свободных носителей — это концентрация свободных носителей в легированном полупроводнике . Она аналогична концентрации носителей в металле и может использоваться для расчета токов или скоростей дрейфа. Свободные носители — это электроны ( дырки ), которые были введены в зону проводимости ( валентную зону ) путем легирования. Следовательно, они не будут действовать как двойные носители, оставляя после себя дырки (электроны) в другой зоне. Другими словами, носители заряда — это частицы, которые могут свободно двигаться, неся заряд. Концентрация свободных носителей легированных полупроводников имеет характерную температурную зависимость. ^[19]

В сверхпроводниках

Сверхпроводники имеют нулевое электрическое сопротивление и поэтому способны проводить ток бесконечно. Такой тип проводимости возможен за счет образования куперовских пар . В настоящее время сверхпроводники могут быть получены только при очень низких температурах, например, с помощью криогенного охлаждения. Пока что достижение сверхпроводимости при комнатной температуре остается сложной задачей; это все еще область продолжающихся исследований и экспериментов. Создание сверхпроводника, который будет функционировать при температуре окружающей среды, станет важным технологическим прорывом, который потенциально может способствовать гораздо более высокой энергоэффективности в распределении электроэнергии в сети.

В квантовых ситуациях

В исключительных обстоятельствах позитроны , мюоны , антимюоны, тау и антитау потенциально могут также нести электрический заряд. Теоретически это возможно, однако очень короткое время жизни этих заряженных частиц делает поддержание такого тока при нынешнем уровне развития технологий очень сложным. Возможно, этот тип тока удастся создать искусственно, или же он может возникать в природе в течение очень коротких промежутков времени.

В плазме

Плазма состоит из ионизированного газа. Электрический заряд может вызвать образование электромагнитных полей в плазме, что может привести к образованию токов или даже множественных токов. Это явление используется в термоядерных реакторах. Это также происходит естественным образом в космосе в виде струй, ветров туманностей или космических нитей, несущих заряженные частицы. Это космическое явление называется течением Биркеланда . В целом электропроводность плазмы является предметом физики плазмы .

См. также

Ссылки

^ Дхаран, Гокул; Стенхаус, Кейлин; Донев, Джейсон (11 мая 2018 г.). «Энергетическое образование – Носитель заряда» . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ «Перевозчик заряда» . Большая советская энциклопедия, 3-е издание. (1970-1979) .
^ Нейв, Р. «Микроскопический взгляд на электрический ток» . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Нейв Р. «Проводники и изоляторы» . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Фитцпатрик, Ричард (2 февраля 2002 г.). «Электроны проводимости в металле» . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Проводники-изоляторы-полупроводники» . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Стюард, Карен (15 августа 2019 г.). «Катион против аниона: определение, диаграмма и периодическая таблица» . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Рамеш Суввада (1996). «Лекция 12: Протонная проводимость, стехиометрия» . Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне . Архивировано из оригинала 15 мая 2021 года . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Соучек, Павел (24 октября 2011 г.). «Проводимость и диффузия плазмы» (PDF) . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Альба, Майкл (19 января 2018 г.). «Вакуумные лампы: мир до транзисторов» . Проверено 30 апреля 2020 г.
^ «Катодные лучи | Введение в химию» . Проверено 30 апреля 2021 г.
^ Нейв, Р. «Собственные полупроводники» . Проверено 1 мая 2021 г.
^ Ван Зегбрук, Б. (2011). «Рекомбинация и генерация носителей» . Архивировано из оригинала 1 мая 2021 года . Проверено 1 мая 2021 г.
^ дель Аламо, Хесус (12 февраля 2007 г.). «Лекция 4. Генерация носителей и рекомбинация» (PDF) . MIT Open CourseWare, Массачусетский технологический институт. п. 3 . Проверено 2 мая 2021 г.
^ «Большинство и меньшинство носителей заряда» . Проверено 2 мая 2021 г.
^ Нейв, Р. «Легированные полупроводники» . Проверено 1 мая 2021 г.
^ Смит, Дж. С. «Лекция 21: БЮТ» (PDF) . Проверено 2 мая 2021 г.
^ Тулбуре, Дэн (22 февраля 2007 г.). «Назад к основам силовых МОП-транзисторов» . ЭЭ Таймс . Проверено 2 мая 2021 г.
^ Ван Зегбрук, Б. (2011). «Плотность носителей» . Проверено 28 июля 2022 г.

[1] Дхаран, Гокул; Стенхаус, Кейлин; Донев, Джейсон (11 мая 2018 г.). «Энергетическое образование – Носитель заряда» . Проверено 30 апреля 2021 г.

[2] «Перевозчик заряда» . Большая советская энциклопедия, 3-е издание. (1970-1979) .

[3] Нейв, Р. «Микроскопический взгляд на электрический ток» . Проверено 30 апреля 2021 г.

[4] Нейв Р. «Проводники и изоляторы» . Проверено 30 апреля 2021 г.

[5] Фитцпатрик, Ричард (2 февраля 2002 г.). «Электроны проводимости в металле» . Проверено 30 апреля 2021 г.

[halbleiter-fundamentals-6] Перейти обратно: ^а ^б «Проводники-изоляторы-полупроводники» . Проверено 30 апреля 2021 г.

[7] Стюард, Карен (15 августа 2019 г.). «Катион против аниона: определение, диаграмма и периодическая таблица» . Проверено 30 апреля 2021 г.

[8] Рамеш Суввада (1996). «Лекция 12: Протонная проводимость, стехиометрия» . Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне . Архивировано из оригинала 15 мая 2021 года . Проверено 30 апреля 2021 г.

[9] Соучек, Павел (24 октября 2011 г.). «Проводимость и диффузия плазмы» (PDF) . Проверено 30 апреля 2021 г.

[10] Альба, Майкл (19 января 2018 г.). «Вакуумные лампы: мир до транзисторов» . Проверено 30 апреля 2020 г.

[11] «Катодные лучи | Введение в химию» . Проверено 30 апреля 2021 г.

[12] Нейв, Р. «Собственные полупроводники» . Проверено 1 мая 2021 г.

[13] Ван Зегбрук, Б. (2011). «Рекомбинация и генерация носителей» . Архивировано из оригинала 1 мая 2021 года . Проверено 1 мая 2021 г.

[14] дель Аламо, Хесус (12 февраля 2007 г.). «Лекция 4. Генерация носителей и рекомбинация» (PDF) . MIT Open CourseWare, Массачусетский технологический институт. п. 3 . Проверено 2 мая 2021 г.

[15] «Большинство и меньшинство носителей заряда» . Проверено 2 мая 2021 г.

[16] Нейв, Р. «Легированные полупроводники» . Проверено 1 мая 2021 г.

[17] Смит, Дж. С. «Лекция 21: БЮТ» (PDF) . Проверено 2 мая 2021 г.

[18] Тулбуре, Дэн (22 февраля 2007 г.). «Назад к основам силовых МОП-транзисторов» . ЭЭ Таймс . Проверено 2 мая 2021 г.

[19] Ван Зегбрук, Б. (2011). «Плотность носителей» . Проверено 28 июля 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]