КАТЕГОРИИ:


Какво е електрическия ток





Електрически ток - е прехвърлянето на електрически заряди. Известно е, че електрически заряди, присъщи елементарни частици. А има и положителни, и отрицателни заряди. Така атома състоят от положително заредени ядра и отрицателно заредени електрони. Най-малката заряда на електрона. Електроните са привлечени към ядрото. Отговаря на ядрото на атома по-дълго, но това е кратно на заряда на електрона. Най-общо, неутрални атоми, като броят на електрони е равен на заряд на ядрото. Но понякога на електрона може да се отдели от атома. Обикновено това е лесно да се направи при високи температури. Например, в нагрята вакуумна тръба катод излъчва електрони (които са 2000 пъти по-лесно атома), и те са включени в прехвърлянето на ток от катода към анода.

Ситуацията на твърди частици е по-сложно, тъй като електроните не са безплатни. Известно е, че един електрон в един атом в областта на привличане на положителен заряд. Това може да се мисли като потенциален добре, виж. Фиг. наляво. Фиг. Това показва зависимостта на енергия от един атом координати за ляво и дясно на кристала. В случай на един атом е просто намаляване на енергията от нула до безкрайност до минус безкрайност в центъра на ядрото. Потенциалното кладенеца в случай на много малки частици, когато приложимите законите на квантовата механика, това не е така, както е в класическата механика. Има отделен комплект от разрешени енергийни източници, които могат да съществуват електрони в атома. И в съответствие с принципа на Паули, само един електрон може да се намери на всяко ниво на енергия. И в случая на кристал, където атоми са разположени строго периодично и на много близко разстояние един от друг, моделът приема формата, показана на фиг. надясно (тук, разбира се, ситуацията показва едномерен, а не триизмерно, за простота). Очевидно е, че поради припокриването на потенциалните гнезда на височина спада, освен в екстремни потенциалните ями. Квантовата механика каза, че в случай на много малки разстояния частици (електрони в този случай), за да преодолеят бариерата потенциал не може да получи допълнителна енергия. Но вероятността, че те ще се преодолее тази бариера е обратно пропорционална на ширината и височината на бариерата, а дори и в експоненциална форма. Ето защо, само на атомно ниво се отразява на квантов ефект нарича тунелиране ефект.

В резултат, без допълнително електронна енергия може да проникне от един атом на друг, в непосредствена близост, тогава третият и т.н. С други думи, електроните са споделени. Но Паули принцип изключване предотвратява бъдат на едно и също ниво на енергия повече от един електрон. Това води до факта, че всеки атом в нивото на енергия се разделя на енергия група, която се състои от няколко слоя, като част от атомите в кристала. Той е много по един cm 3 от около 10 атома, 23-ти. Пристъпи към сближаване може да се предположи, че енергийните банди са твърди.




Броят на зони в кристала трябва да съответства на броя на нивата в атом. Въпреки това, групата ширина зависи от нивото на дълбочина. Колкото по-дълбоко и да е, колкото по-малка от ширината на нивото, защото колкото повече се преодолеят чрез бариера на тунела ефект. Най-дълбоките нива на почти разделят. Най-горният нива пълни с разделена най-много, те имат най-голяма ширина. В полупроводници, най-интересното пълно групата и следван от празно място. Ето защо, потенциалните изворите на атомите обикновено не рисуват и да извлекат от зони само тези две:

Символ за V The представляват горната граница на последния напълнена зона валентност групата, както и символ Е К - долната граница на първата празна зона, в долната част на проводимата зона. Символът например = E C - Е V означава ширината на забранената групата.

Така ние виждаме, че там са заредени частици в твърда - електрони, и те могат да се движат на твърдото тяло. Оказва се, че не е толкова просто. Например, много метали са твърди вещества, и те са добре проводим; ситуацията е различна с диелектрици, които не са добре провеждане. Има повече и полупроводници, които заемат средно положение между метали и изолатори. Това ви позволява да се разбере теорията лента на електропроводимостта.

В диелектрици електроните, така че те са изцяло запълнени валентност лента и проводимата зона е празна, няма електрони. Ето защо, проводимата зона не провежда ток, и валентната зона може да провежда ток, но не притежава, защото всички щати на електроните точно симетрични, и ако има държава с импулс р и съществува състояние на инерция

- р, всяко от тези състояния носи ток, но посоките на тези токове са противоположни и в размер на провежда ток е нула. Ако валентната зона е изцяло запълнена, а след това всеки електрон носи малък ток и всички кристали без ток държи.

А по-различна картина се наблюдава при метали, където електроните, така че те изпълват валентност групата е само половината. В нула температура (Келвин, т.е. -273 ° С) по-ниски състояния всички напълнени с електрони, докато всички горната - празна. Но разстоянието между страните е много малък, и най-малкото смущение на системата, например, малък прилагане на напрежение може да предизвика движение на електрони от състояние на равновесие, и прекъсване на симетрия в разпределението на скоростта на електроните. По този начин много лесно електрически ток, т.е. Той има електрическа проводимост.

При по-високи температури, има замъгляване на електрона състояния, а именно, има разпределение на Ферми-Дирак:


F (Е) - проучвания ниво вероятност с електронна енергия Е, Е F - някои постоянно с размерите на енергия и наречени нивото на Ферми. Тази функция е, както следва:


Тук функцията F е хоризонтална, а неговата теза E - вертикално. Левият непрекъснатата линия - F (Е) = 0; полето пунктираната линия - F (Е) = 1. Когато E> E 2, вероятността за пълнене състояния на електроните е равен на нула - няма ток. Когато Е <Е един F (Е) = 1, всички държави са запълнени и тези електрони, дължащи се на симетрията на кристала и не се провежда. Но състояние между пунктираните линии не са попълнени всички, обаче, тези електрони могат да извършват текущи. Ето защо метали провежда електричество добре.

Положението е различно, с диелектрици и полупроводници. Електроните достатъчно само да попълните няколко области, включително валентност, а останалите, включително и проводимата зона е празна. Ясно е, че електроенергията празно място не се извършва. Но не го прекарат и изцяло попълнена, тъй като по силата на симетрията на кристала всички малки токове се неутрализират взаимно.

Но това е вярно само при нулева температура, по Келвин (-273 0 ° С). При по-високи температури и по-специално при стайна температура, флуктуация на кристални атоми на енергията си предават електрони, което води до разпространение на енергия съгласно функция Ферми-Дирак. Някои от електроните (малки) придобива достатъчно енергия, за да се преодолее пропастта група и в следващото зона - проводимата зона. Тази ситуация се илюстрира от фигурата:


От лявата страна на фиг. представени плътността на състояния като функция на Е. Когато нулева мощност е много малка, по-точно равно на 2, поради факта, че въртенето на електрон е равна на +/- половина, т.е. в една държава, ще бъде два електрона с различни завъртания. С повишаване на енергийната плътност на състояния е пропорционална на квадрата на енергия спрямо нивото на Е в о или валентна група).

През втората цифра. представено с функцията Ферми-Дирак. И на следващата фигура. представено с продукт на тези две функции, и която представлява зависимостта на електрон концентрацията на енергия. Вижда се, че електроните в групата на проводимост е малък, тъй като вероятността за заемане състояние е значително по-малко от 1. Това означава, че те могат да се движат по същество както във вакуум, почти няма взаимодействие една с друга.

Съвсем различно може да се каже на валентната зона: тук вероятността за попълване на държавата е почти равен на 1, т.е. почти всички държави са пълни с електрони. В този случай, това е трудно да се опише тяхното движение, тъй като почти винаги си пречат взаимно, защото електроните могат да се движат някъде, само ако има свободна държава, както и почти всички държави са пълни.

Ето защо ние се съгласихме да се опише състоянието на празните пространства - "дупката", който е малък (да не се бърка с дупки). Те са дупки, могат да се движат, като че ли няма значение, почти без да се среща, и тяхното движение, също могат да бъдат описани достатъчно просто, както и движението на електроните в проводимата зона. Тяхната концентрация е описан от продукта от броя на състояния на разликата между 1 и функцията Ферми-Дирак вж. Третият Фиг. в валентната зона.

В последната цифра. енергийната зависимост е представена от координати. В долната част на проводимата зона има редица електроните в валентната зона има няколко дупки. Те, за разлика от електрони, са положително заредени. Тъй като електроните са произведени на изхода от валентност лента за проводимост на електрони лента, броят им е точно равен на броя на дупки.

функция Ферми-Дирак описва равновесното състояние на електрона. Ако при всяка температура (например, стайна температура) електрони не, ще настъпи termogeneratsiya електрони и дупки, и те са разположени постепенно функцията Ферми-Дирак. генериране на скорост в зависимост от температурата и забранената зона и е практически независимо от концентрацията на електрони и дупки.

Има и обратен процес - рекомбинация на електрони и дупки, да предположим, че случаен електрон движението се срещна с дупката. Електрон от проводимата зона попада в някои състояние в валентната зона, като по този начин някъде подчерта енергийната разлика и разликата на пулса и електрона и дупката взаимно отмени, унищожи, или, както е в електрониката, се рекомбинират. Скоростта на този процес е пропорционална на продукта и т.н., където п - концентрацията на електрони (обикновено в cm -3) и р - плътност на отворите (също в cm -3).

Тъй като с увеличаване на времето п и р са расте в генерирането на електрони и дупки, този процес увеличава скоростта на рекомбинация на електрони и дупки, и в крайна сметка става равен на размера на поколение. Това означава постигане на състояние, характеризиращо се с функциите на Fermi-Дирак. По този начин ние виждаме, че генерирането на електрони и дупки винаги са там, и винаги има рекомбинация, само в равновесие, те са строго равен на всеки друг.