види провідників

Основні відомості про провідникових матеріалах

До провідникові матеріалів відносяться речовини, основною властивістю яких є електропровідність. Провідниками електричного струму можуть служити тверді тіла, рідини, а при відповідних умовах і гази. Гази і пари, в т.ч. і пари металів, при низьких напряженностях електричного поля не є провідниками. При цьому якщо напруженість поля вище деякого критичного значення, що забезпечує початок ударної і фотоіонізації, то газ може стати провідником, що володіє електронною і іон-ної електропровідність. Все провідникові матеріали поділяються на провідники першого і другого роду.

Тверді провідники є найважливішими провідниковими матеріалами, широко вживаними в радіоелектроніці та електротехніці. До них відносять метали та їх сплави. За характером застосування в радіоелектронній техніці металеві матеріали поділяють на метали високої провідності і сплави високого опору.

Особливості поведінки електронів в металах.

У класичної електронної теорії металів були введені уявлення про електронний газі, що складається з колективізованих (вільних) електронів, концентрація яких приймалася рівною кількістю атомів в одиниці об'єму металу. До електронного газу застосовувалися поняття і закони статистики звичайних газів. Гіпотеза про електронний газі була підтверджена низкою дослідів. При цьому не вс ?? е питання вдалося вирішити з точки зору класичної електронної теорії металів, так як виникли деякі суперечності з досвідченими даними. Οʜᴎ полягали в розходженні кривих залежності питомого опору від температури, що спостерігається на досвіді і теоретичної, невідповідність теоретично одержуваних значень теплоємності металів досвідченим даними.

Ці протиріччя вдалося пояснити за допомогою квантової хвильової механіки. Відповідно до цієї теорії електрони в металах слід розглядати при звичайних температурах як''вирожденний'' газ. У цьому стані енергія газу практично не залежить від зміни температури. Тепловий рух майже не змінює енергію електронів, а теплова енергія витрачається на теплові коливання вузлів кристалічної решітки. Внаслідок цього середня теплова швидкість електронів не змінюється при зміні температури. Середня швидкість спрямованого руху електронів під дією електричного поля залежить від ймовірності зіткнення електронів з вузлами кристалічної решітки, що приводить до зменшення їх середньої швидкості.

В електронному газі, який знаходиться в стані виродження, швидкості хаотичного руху електронів визначаються не температурою тіла, а концентрацією вільних електронів. В металах вона досягає близько 10 28 м 3. що обумовлено особливістю металевого зв'язку, ᴛ.ᴇ. практично вс ?? е валентні електрони в металах вільні. При цьому енергії ці електронів різні.

Всі рівні з енергією менше рівня Фермі з імовірністю більшої 0,5 заповнені електронами, і навпаки рівні з енергією більшою рівня Фермі з ймовірністю 0,5 вільні від електронів. Распредел ?? ення електронів по рівням енергії можна уявити малюнком 4.1.

Для того щоб описувати рух електрона в твердому тел ?? е, як вільне переміщення зарядженої частинки без урахування періодичного поля кристалічної решітки вводиться поняття про ефективну масі m °, яка повинна бути і більше і менше маси вільного електрона і навіть мати позитивний або негативний знак. Метали з переважанням позитивних ефективних мас носі ?? їй заряду (наприклад, алюміній) називають електронними, протилежні (наприклад, цинк, молібден) - дірковими. Перші характеризуються негативними знаками коефіцієнта Холла і термо-е.р.с. При цьому, для ряду металів, наприклад міді, срібла, золота͵ коефіцієнт Холла має негативний знак, а термо-е.р.с. позитивний, що говорить про високу складність їх електронної будови і незастосування до них найпростіших мо ?? їй.

Поведінка електронів в металах описується статистикою Фермі-Дірака. При температурі 0 До концентрація електронів дорівнює:

де h - постійна Планка;

WF - енергія рівня Фермі;

m ° - ефективна маса

Внаслідок того, що електронний газ знаходиться в стані виродження, в процесі електропровідності беруть участь не вс ?? е вільні електрони, а тільки ті, енергія яких більше енергії Фермі. Під впливом електричного поля проходить розсіювання електронів під великими кутами в процесі їх пружних зіткнень з вузлами кристалічної решітки. Внаслідок цього зростає надлишок швидких електронів, які рухаються проти напрямку поля, і дефіцит швидких електронів з протилежним напрямком швидкості. Концентрація вільних електронів в чистих металах відрізняється незначно і практично не залежить від температури, оскільки в виродженим електронному газі енергія Фермі змінюється незначно. Згідно квантової теорії електропровідність металів s дорівнює:

де VT - теплова швидкість електронів;

е - заряд електрона;

п - кількість електронів

# 955; віл - довжина вільного пробігу електронів, яка залежить від температури.

Тобто, як видно з (4.2) електропровідність металів не повинна залежати від температури. При цьому така залежність існує. Це можна пояснити хвильовим характером руху електронів.

З фізики відомо, що електрони мають властивість корпускулярно-хвильового дуалізму. Тобто рух електронів можна розглядати як переміщення плоских хвиль. У періодичному потенціальному полі, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ має ідеальна кристалічна решітка, така хвиля повинна переміщатися без втрат (без загасання). Це означає, що довжина пробігу електронів повинна бути нескінченною, тоді згідно (4.2) і електропровідність металів теж повинна бути нескінченною. Але в реальній дійсності в кристалах нд ?? егда мають місце дефекти решітки: динамічні - теплові коливання вузлів кристалічної решітки, і статичні - одномірні, лин ?? ейние дефекти решітки.

Ці дефекти зіграють роль центрів розсіювання, які обмежують довжину вільного пробігу електронів, і внаслідок цього метали мають кінцеве питомий опір. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, питомий опір металевих провідників залежить в першу чергу від середньої довжини вільного пробігу електронів.

Читайте також

Основні відомості про провідникових матеріалах Провідникові матеріали До провідникові матеріалів відносяться речовини, основною властивістю яких є електропровідність. Провідниками електричного струму можуть служити тверді тіла, рідини, а при. [Читати далі].