Зарядный перевозчик

В физике твердотельного состояния носитель заряда - это частица или квазичастица , которая может свободно перемещаться, неся электрический заряд , особенно частицы, которые несут электрические заряды в электрических проводниках . ^{[ 1 ]} Примерами являются электроны , ионы и отверстия . ^{[ 2 ]} В проводящей среде электрическое поле может оказывать силу на этих свободных частицах, вызывая чистое движение частиц через среду; Это то, что представляет собой электрический ток . ^{[ 3 ]} Электрон элементарный и протон являются носителями элементарного заряда , каждый из которых несет один заряд ( E ), одинаковой величины и противоположного знака .

В проводниках

При проведении среды частицы служат для переноса заряда:

Во многих металлах носители заряда являются электронами . Один или два валентных электронов от каждого атома способны свободно перемещаться в пределах кристаллической структуры металла. ^{[ 4 ]} Свободные электроны называются электронами проводимости , а облако свободных электронов называется газом Ферми . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Многие металлы имеют электронные и отверстия. В некоторых, большинство носителей - отверстия. ^{[ Цитация необходима ]}
В электролитах , таких как соленая вода , носители заряда являются ионами , ^{[ 6 ]} которые являются атомами или молекулами, которые получили или потеряли электроны, поэтому они электрически заряжены. Атомы, которые приобрели электроны, поэтому их негативно заряжены, называются анионами , атомы, которые потеряли электроны, поэтому их положительно заряжаются, называются катионами . ^{[ 7 ]} Катионы и анионы диссоциированной жидкости также служат в качестве носителей заряда в расплавленных ионных твердых веществах (например, процесс Холла -Хроулт для примера электролиза расплавленного ионного твердого вещества). Протонные проводники - это электролитические проводники, использующие положительные ионы водорода в качестве носителей. ^{[ 8 ]}
В плазме , электрически заряженный газ, который находится в электрических дугах через воздух, неоновые знаки , а также солнце и звезды, электроны и катионы ионизированного газа действуют в качестве носителей заряда. ^{[ 9 ]}
В вакууме свободные электроны могут выступать в качестве носителей заряда. В электронном компоненте, известном как вакуумная трубка (также называемая клапаном ), мобильное электронное облако генерируется нагретым металлическим катодом с помощью процесса, называемого термионным излучением . ^{[ 10 ]} Когда электрическое поле применяется достаточно сильно, чтобы привлечь электроны в луч, это может быть названо катодным лучом и является основой катодного луча, широко используемого на телевизорах и компьютерных мониторах до 2000 -х годов. ^{[ 11 ]}
В полупроводниках , которые являются материалами, используемыми для изготовления электронных компонентов, таких как транзисторы и интегрированные схемы , возможны два типа носителя заряда. В полупроводниках P-типа « эффективные частицы », известные как электронные отверстия с положительным зарядом, перемещаются через кристаллическую решетку, производя электрический ток. «Отверстия», по сути, являются электронными вакансиями в популяции электронов валентной полосы полупроводника и рассматриваются как носители заряда, потому что они подвижные, перемещающиеся с сайта атом к атомному участку. В полупроводниках n-типа электроны в полосе проводимости перемещаются через кристалл, что приводит к электрическому току.

В некоторых проводниках, таких как ионные растворы и плазмы, положительные и отрицательные носители заряда сосуществуют, поэтому в этих случаях электрический ток состоит из двух типов носителей, движущихся в противоположных направлениях. В других проводниках, таких как металлы, есть только носители заряда одной полярности, поэтому в них электрический ток просто состоит из заряда, движущихся в одном направлении.

В полупроводниках

есть два признанных типа носителей заряда В полупроводниках . Одним из них является электроны , которые несут отрицательный электрический заряд . Кроме того, удобно рассматривать перемещенные вакансии в популяции электронов валентной полосы ( отверстия ) как второй тип носителя заряда, которые несут положительный заряд, равный по величине, связанного с электроном. ^{[ 12 ]}

Генерация носителей и рекомбинация

Когда электрон встречается с дырой, они рекомбинируют , и эти свободные носители эффективно исчезают. ^{[ 13 ]} Выпущенная энергия может быть либо тепловой, нагревая полупроводник ( термическая рекомбинация , один из источников тепла отходов в полупроводниках), либо выделяется в виде фотонов ( оптическая рекомбинация , используется в светодиодах и полупроводниковых лазерах ). ^{[ 14 ]} Рекомбинация означает электрон, который был возбужден от валентной полосы до полосы проводимости возвращается в пустое состояние в валентной полосе, известной как отверстия. Отверстия - это пустые состояния, созданные в валентной полосе, когда электрон возбуждается после получения некоторой энергии, чтобы пройти энергетический разрыв.

Большинство и носители меньшинства

Более обильные перевозчики называются большинством перевозчиков , которые в первую очередь ответственны за текущий транспорт в куске полупроводника. В полупроводниках N-типа они являются электронами, в то время как в полупроводниках P-типа они являются отверстиями. Менее обильные перевозчики называются носителями меньшинств ; В полупроводниках N-типа это отверстия, в то время как в полупроводниках P-типа они являются электронами. ^{[ 15 ]}

В внутреннем полупроводнике , который не содержит никакой примеси, концентрации обоих типов носителей в идеале равны. Если внутренний полупроводник легируется донорской нечистотой, то большинство носителей являются электронами. Если полупроводник легируется примесей акцептора, то большинство носителей - отверстия. ^{[ 16 ]}

Меньшинские носители играют важную роль в биполярных транзисторах и солнечных батареях . ^{[ 17 ]} Их роль в полевых транзисторах (FETS) немного более сложна: например, MOSFET имеет области P-типа и N-типа. Действие транзистора включает в себя большинство носителей исходных и сливных областей , но эти носители пересекают тело противоположного типа, где они являются носителями меньшинства. Тем не менее, перемешивающие носители в значительной степени превосходят свой противоположный тип в области передачи (на самом деле, носители противоположного типа удаляются применяемым электрическим полем, которое создает инверсионный слой ), так что это традиционно обозначение источника и дренажа для носителей, и и применяется и дренаж для носителей и FETs называются устройствами «Мажопленка». ^{[ 18 ]}

Свободная концентрация носителя

Свободная концентрация носителей - это концентрация свободных носителей в легированном полупроводнике . Это похоже на концентрацию носителя в металле, и для целей расчета токов или скоростей дрейфа могут использоваться одинаково. Свободные носители - это электроны ( отверстия ), которые были введены в полосу проводимости ( валентная полоса ) допингом. Следовательно, они не будут действовать как двойные носители, оставляя позади отверстия (электроны) в другой полосе. Другими словами, носители заряда - это частицы, которые могут свободно перемещаться, неся заряд. Концентрация свободного носителя легированных полупроводников показывает характерную температурную зависимость. ^{[ 19 ]}

В сверхпроводниках

Сверхпроводники имеют нулевую электрическую стойкость и, следовательно, способны нести ток на неопределенный срок. Этот тип проводимости возможен благодаря формированию пар Купера . В настоящее время сверхпроводники могут быть достигнуты только при очень низких температурах, например, с использованием криогенного охлаждения. Пока что достижение сверхпроводимости при комнатной температуре остается сложной задачей; Это все еще область продолжающихся исследований и экспериментов. Создание сверхпроводника, который функционирует при температуре окружающей среды, станет важным технологическим прорывом, который потенциально может способствовать гораздо более высокой энергоэффективности в распределении электроэнергии.

В квантовых ситуациях

При исключительных обстоятельствах Positrons , Muons , Anti-Muons, Taus и Anti-Taus потенциально могут также нести электрический заряд. Это теоретически возможно, однако очень короткий срок службы этих заряженных частиц сделает такой ток очень сложным для поддержания в текущем состоянии технологии. Может быть возможно искусственно создать этот тип тока, или он может произойти в природе в течение очень коротких пробелов.

В плазме

Плазма состоит из ионизированного газа. Электрический заряд может вызвать образование электромагнитных полей в плазме, что может привести к образованию токов или даже нескольких токов. Это явление используется в реакторах ядерного слияния . Это также встречается естественным образом в космосе, в виде струй, ветров туманности или космических филаментов, которые несут заряженные частицы. Это космическое явление называется Birkeland Current . В целом, электрическая проводимость плазмы является предметом физики плазмы .

Смотрите также

Ссылки

^ Дхаран, Гокул; Стенхаус, Кайлин; Dodev, Джейсон (11 мая 2018 г.). «Энергетическое образование - взимает с перевозчика» . Получено 30 апреля 2021 года .
^ «Зарядка» . Великая советская энциклопедия 3 -е издание. (1970-1979) .
^ Nave R. "Микроскопический вид электрического тока" . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Неф Р. «Проводники и изоляторы» . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Фицпатрик, Ричард (2 февраля 2002 г.). «Проводящие электроны в металле» . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} «Проводники-инкуляторы-семинаруки» . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Стюард, Карен (15 августа 2019 г.). «Катион против аниона: определение, диаграмма и периодическая таблица» . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Рамеш Суввада (1996). «Лекция 12: Протонная проводимость, стехиометрия» . Университет Иллинойса в Урбане - Шампейн . Архивировано из оригинала 15 мая 2021 года . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Сучек, Павел (24 октября 2011 г.). «Плазменная проводимость и диффузия» (PDF) . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Альба, Майкл (19 января 2018 г.). «Вакуумные трубки: мир перед транзисторами» . Получено 30 апреля 2020 года .
^ «Катодные лучи | Введение в химию» . Получено 30 апреля 2021 года .
^ Неф Р. "Внутренние полупроводники" . Получено 1 мая 2021 года .
^ Van Zeghbroeck, B. (2011). «Рекомбинация и поколение носителей» . Архивировано из оригинала 1 мая 2021 года . Получено 1 мая 2021 года .
^ Дель Аламо, Хесус (12 февраля 2007 г.). «Лекция 4 - генерация и рекомбинация носителей» (PDF) . MIT Open Courseware, Массачусетский технологический институт. п. 3 Получено 2 мая 2021 года .
^ «Большинство и меньшинства взимают с перевозчиков» . Получено 2 мая 2021 года .
^ Нев Р. "Допированные полупроводники" . Получено 1 мая 2021 года .
^ Смит, JS «Лекция 21: BJTS» (PDF) . Получено 2 мая 2021 года .
^ Тулбур, Дэн (22 февраля 2007 г.). «Вернемся к основам силовых меток» . EE времена . Получено 2 мая 2021 года .
^ Van Zeghbroeck, B. (2011). «Плотность носителей» . Получено 28 июля 2022 года .

[1] Дхаран, Гокул; Стенхаус, Кайлин; Dodev, Джейсон (11 мая 2018 г.). «Энергетическое образование - взимает с перевозчика» . Получено 30 апреля 2021 года .

[2] «Зарядка» . Великая советская энциклопедия 3 -е издание. (1970-1979) .

[3] Nave R. "Микроскопический вид электрического тока" . Получено 30 апреля 2021 года .

[4] Неф Р. «Проводники и изоляторы» . Получено 30 апреля 2021 года .

[5] Фицпатрик, Ричард (2 февраля 2002 г.). «Проводящие электроны в металле» . Получено 30 апреля 2021 года .

[halbleiter-fundamentals-6] Подпрыгнуть до: ^а ^{беременный} «Проводники-инкуляторы-семинаруки» . Получено 30 апреля 2021 года .

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

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

[9] Сучек, Павел (24 октября 2011 г.). «Плазменная проводимость и диффузия» (PDF) . Получено 30 апреля 2021 года .

[10] Альба, Майкл (19 января 2018 г.). «Вакуумные трубки: мир перед транзисторами» . Получено 30 апреля 2020 года .

[11] «Катодные лучи | Введение в химию» . Получено 30 апреля 2021 года .

[12] Неф Р. "Внутренние полупроводники" . Получено 1 мая 2021 года .

[13] Van Zeghbroeck, B. (2011). «Рекомбинация и поколение носителей» . Архивировано из оригинала 1 мая 2021 года . Получено 1 мая 2021 года .

[14] Дель Аламо, Хесус (12 февраля 2007 г.). «Лекция 4 - генерация и рекомбинация носителей» (PDF) . MIT Open Courseware, Массачусетский технологический институт. п. 3 Получено 2 мая 2021 года .

[15] «Большинство и меньшинства взимают с перевозчиков» . Получено 2 мая 2021 года .

[16] Нев Р. "Допированные полупроводники" . Получено 1 мая 2021 года .

[17] Смит, JS «Лекция 21: BJTS» (PDF) . Получено 2 мая 2021 года .

[18] Тулбур, Дэн (22 февраля 2007 г.). «Вернемся к основам силовых меток» . EE времена . Получено 2 мая 2021 года .

[19] Van Zeghbroeck, B. (2011). «Плотность носителей» . Получено 28 июля 2022 года .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]