Носители заряда — Википедия

Носи́тели заря́да — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока^[1].

Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы — носителя заряда является дырка, другие заряженные частицы, например, позитроны.

Обычно термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела и физике полупроводников.

В металлах и веществах с металлическим типом проводимости, к которым относятся многие другие вещества — графит, многие карбиды и нитриды переходных металлов, носителями заряда являются электроны. В таких веществах один или несколько электронов внешних электронных оболочек атомов не связаны с окружающими атомами и могут упорядоченно перемещаться под действием электрического поля внутри кристалла или жидкости даже при температуре абсолютного нуля. Такие электроны называются электронами проводимости в телах с металлическим типом проводимости. Так как электроны имеют полуцелый спин, их совокупность подчиняется статистике Ферми — Дирака и обычно её называют электронным газом Ферми.

При отсутствии электрического поля электроны проводимости хаотически движутся в металле или расплаве в различных направлениях и электрический ток в теле равен нулю. Исключение составляет движение электронов проводимости в сверхпроводниках, в которых электроны могут двигаться упорядоченно и создавать электрический ток без приложения электрического поля.

При приложении электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченность — в теле возникает электрический ток. В практически достижимых электрических полях в металлах скорость упорядоченного движения электронов не превышает нескольких миллиметров в секунду, в то время как средняя скорость хаотического движения электронов имеет порядок нескольких сотен км/с.

В полупроводниках носителями заряда являются электроны. Для удобства описания процессов проводимости в полупроводниках вводят понятие квазичастицы — дырка — положительно заряженная частица с зарядом равным по модулю заряду электрона. Фактически дырка — это электрон, перескакивающий на свободную соседнюю вакансию в кристаллической решётке полупроводника. Макроскопически дырки ведут себя так как истинные положительно заряженные частицы, в частности знак ЭДС в эффекте Холла указывает на движение положительно заряженных частиц в дырочном полупроводнике.

По отношению концентраций электронов и дырок различают собственные полупроводники, в которых концентрация электронов и дырок равны, полупроводники с электронным типом проводимости или иначе называемые полупроводниками n-типа проводимости или просто n-типа с увеличенной по сравнению с дырками концентрацией электронов и полупроводники с дырочным типом проводимости называемые полупроводниками p-типа — с увеличенной концентрацией дырок.

Тип той или иной проводимости чистому полупроводнику придает легирующая примесь. Примеси, придающие полупроводнику электронный тип проводимости называют донорными примесями, а примеси придающие дырочный тип проводимости называют акцепторными примесями.

Чистые полупроводники и полупроводники с равной концентрацией акцепторных и донорных примесей, такие полупроводники называют компенсировнными полупроводниками образуют собственные полупроводники.

Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями, а дырки — неосновными, в полупроводнике p-типа соответственно наоборот. Ток неосновных носителей играет важную роль в некоторых типах полупроводниковых приборов, например в биполярных транзисторах а активном режиме ток, протекающий через базовый слой, является током неосновных носителей.

Согласно зонной теории энергия электрона в кристаллической решётке полупроводника не может принимать произвольный ряд энергий, а только их энергии могут лежать в пределах определённых диапазонов — разрешенных зон, разделённых запрещенной зоной. Разрешенную зону с меньшей энергией называют валентной зоной, а разрешенную зону с высокой энергией называют зоной проводимости. Электроны с энергиями валентной зоны несвободны, то есть не могут двигаться при наложении электрического поля, так как все энергетические уровни в этой зоне заняты и согласно принципу запрета Паули электрон не может изменить свое состояние, а движение требует изменения состояния. Электроны с энергиями зоны проводимости подвижны, так в ней имеются расположенные выше свободные энергетические уровни.

Если из валентной зоны удалить электрон, то в ней образуется положительно заряженная вакансия — дырка, которую может занять другой электрон из валентной зоны, то есть при наложении электрического поля происходит движение дырок в валентной зоне — возникновение электропроводности в валентной зоне — дырочной проводимости.

Освобождение электрона из узла кристаллической решётки полупроводника и перевод его в зону проводимости требует затраты определённой энергии активации (ионизации). Эта энергия в чистых полупроводниках равна разности энергий низа зоны проводимости и верха валентной зоны и называется шириной запрещённой зоны. В собственных легированных полупроводниках энергия активации равна разности уровней донорных и акцепторных примесей.

Так как для появления свободных носителей в полупроводниках требуется энергия активации, при абсолютном нуле температуры и отсутствия внешнего облучения все полупроводники являются диэлектриками. При повышении температуры часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости и возникает электропроводность. В легированных полупроводниках акцепторные уровни находятся вблизи верха валентной зоны, а уровни донорных примесей вблизи низа зоны проводимости, поэтому в легированных полупроводниках ионизация (возникновение носителей заряда) требует очень малой энергии активации, поэтому в слаболегированных полупроводниках уже при комнатной температуре все примесные атомы ионизированы и проводимость определяется в основном концентрацией легирующей примеси.

В электролитах носителями заряда являются ионы. В растворах и расплавах электролитов часть электрически нейтральных молекул распадается на заряженные частицы с разным знаком заряда — свободные ионы. Положительно заряженные ионы называют катионами, отрицательно заряженные — анионами. Под действием электрического поля ионы перемещаются, образуя электрический ток, причем анионы движутся против вектора напряжённости электрического поля — к аноду, а катионы — к катоду, по направлению движения ионы разного знака заряда и получили свои названия.

Существуют также твёрдые тела с ионным типом проводимости — так называемые твёрдые электролиты. Твердые электролиты — это ионные кристаллы, в которых ионы в узлах кристаллической решётки слабо связаны с решёткой и могут мигрировать по кристаллу. Под действием электрического поля ионы в твёрдых электролитах приобретают упорядоченное движение по или против вектора напряжённости электрического поля в зависимости от знака заряда. Примерами твёрдых электролитов могут служить иодид серебра с проводимостью по ионам серебра Ag

+ или диоксид циркония, легированный оксидом переходного металла группы III периодической таблицы Менделеева, с проводимостью по ионам кислорода O^2-, обусловленной вакансиями в кристаллической решётке, а также многие твёрдые электролиты и некоторые полимеры с проводимостью по ионам водорода Н ⁺. Во многих твёрдых электролитах, например, в легированном диоксиде циркония, ионная проводимость осуществляется перемещением вакансии — ион кислорода под действием поля перемещается в соседнюю вакансию в кристаллической решётке и остаётся там, механизм проводимости, сходный с дырочной проводимостью в полупроводниках.

Носители заряда в вакууме и разреженной плазме[править | править код]

Носителями заряда в вакууме являются электроны, ионы, иные заряженные элементарные частицы. Если вакуум высокий, в случаях, когда длина свободного пробега частицы много больше рассматриваемого размера, то есть число Кнудсена много больше 1 заряженные частицы — носители заряда можно считать невзаимодействующими и они движутся при отсутствии электрического поля прямолинейно и равномерно до соударения со стенкой сосуда. При наложении электрического поля заряженные частицы начинают двигаться ускоренно под действием электрической силы.

Частным случаем зарядов в вакууме является сильно разрежённая плазма — электрически нейтральная смесь носителей заряда с разными зарядами.

Обычно в среде, где имеются свободные носители заряда суммарный заряд положительно заряженных частиц равен суммарному заряду отрицательно заряженных частиц, поэтому такая среда электрически нейтральна. Но в некоторых случаях суммарный заряд одного из знаков превалирует над суммарным зарядом другого знака. В этом случае говорят об объемном или поверхностном заряде. Наличие объемного или поверхностного заряда порождает в соответствие с теоремой Гаусса электрическое поле. Электрическое поле вызывает движение носителей заряда и перераспределение объемного заряда, стремясь выравнять концентрацию зарядов разного знака. Поэтому для длительного существования объемного заряда должен существовать механизм его поддержания. Например, стеканию заряда с отрицательно заряженных тел препятствует работа выхода электронов.

Возникающий объёмный заряд играет важную роль в физических процессах в электровакуумных приборах, — объёмный заряд электронов в вакууме или зоны объёмного заряда в p-n-переходах в полупроводниковых приборах, возникающий из-за встречной диффузии электронов и дырок и контактной разности потенциалов.

Генерация и рекомбинация носителей заряда[править | править код]

В электролитах, полупроводниках, плазме одновременно происходят процессы рекомбинации и ионизации частиц. Электрически нейтральные атомы и молекулы распадаются на заряженные частицы — ионизация и одновременно частицы разных знаков притягиваются друг к другу и образуют электрически нейтральные частицы — рекомбинация. В равновесном состоянии число актов рекомбинации и диссоциации в единицу времени равны друг другу и в среде устанавливается равновесная концентрация носителей заряда. Выведенная из состояния равновесия система постепенно самопроизвольно переходит в равновесную. Постоянную времени установления равновесной концентрации зарядов называют временем релаксации.

Диссоциация нейтральных частиц происходит главным образом из-за теплового движения и колебания частиц, их соударений. Так как на диссоциацию требуется некоторая энергия, называемая энергией активации, то концентрация носителей заряда, если нет иных факторов, препятствующих тепловой диссоциации, нарастает при повышении температуры. Именно поэтому электропроводность электролитов, полупроводников, не полностью ионизированной плазмы нарастает при повышении температуры. Количественно концентрация носителей заряда в веществе в зависимости от температуры выражается уравнением Аррениуса.

Известен механизм диссоциации на заряженные частицы посредством внешнего нетеплового воздействия, например, электромагнитным излучением или потоком быстрых частиц, например, потоком электронов, ионизирующим излучением. При таком воздействии концентрация носителей заряда повышается по сравнению с равновесной тепловой концентрацией. Поглощение фотона или заряженной частицы в полупроводнике порождает с некоторой вероятностью электронно-дырочную пару, это явление используется в различных полупроводниковых фотоприёмниках и полупроводниковых детекторах частиц. Макроскопически повышение концентрации носителей заряда проявляется в изменении электрических свойств, например, электропроводности.

Рекомбинация заряженных частиц сопровождается выделением энергии равной энергии диссоциации или энергии ионизации. В большинстве случаев эта энергия превращается в тепловое движение, но может переходить в иные виды энергии, например, уноситься фотоном, как в светодиодах и полупроводниковых лазерах в актах рекомбинации электронно-дырочных пар.

Длина свободного пробега носителей заряда[править | править код]

Среднее расстояние, на котором движение носителя заряда может считаться независимым от присутствия других частиц называют длиной свободного пробега. Обычно это расстояние равно длине пути частицы до столкновения с другой частицей, но например, в плазме длиной пробега считается расстояние до существенного электростатического взаимодействия с другой заряженной частицей плазмы и изменении направления движения.

В электролитах длина свободного пробега ограничена столкновениями, в металлах длина свободного пробега электронов ограничена рассеиванием электронов на атомах, дефектах кристаллической решетки и её тепловых колебаниях — рассеиванием на фононах.

В полупроводниках электроны и дырки рассеиваются на дефектах кристаллической решетки, примесных атомах и на фононах. В чистых полупроводниках длина свободного пробега может достигать при низких температурах нескольких миллиметров.

В вакууме и разреженной плазме понятие длины свободного пробега теряет смысл, так как частицы не взаимодействуют. Условно можно считать, что длина свободного пробега равна размерам сосуда.

Чем выше длина свободного пробега λ{\displaystyle \lambda } и больше концентрация носителей n{\displaystyle n}, тем выше удельная электропроводность σ{\displaystyle \sigma }:

σ≈λ⋅n.{\displaystyle \sigma \approx \lambda \cdot n.}

1. ↑ Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

Носитель заряда — это… Что такое Носитель заряда?



Носитель заряда

Носители заряда — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока.

Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы-носителя заряда является дырка.

Чаще всего термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела и физике полупроводников.

Носители заряда в полупроводниках

В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.

Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.

Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.

Концентрация равновесных носителей заряда в полупроводнике определяется только температурой образца и концентрацией легирующих примесей. Под действием внешних воздействий (инжекция, облучение образца светом, ионизирующими частицами или ионизирующим излучением) в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда, и полная концентрация носителей заряда увеличивается.

Wikimedia Foundation. 2010.

• Носитель данных
• Носители компьютерной информации

Смотреть что такое «Носитель заряда» в других словарях:

• носитель заряда — Частица, содержащая неодинаковое число элементарных электрических зарядов разного знака. [ГОСТ Р 52002 2003] Синонимы носитель электрического заряда …   Справочник технического переводчика

• носитель заряда — носитель заряда; отрасл. носитель тока Заряженная частица (электрон, ион, молион и т. п.), могущая передвигаться в веществе под действием электрического поля …   Политехнический терминологический толковый словарь

• носитель заряда — krūvininkas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. carrier; charge carrier vok. Ladungsträger, m; Träger, m rus. носитель заряда, m pranc. porteur de charge, m …   Automatikos terminų žodynas

• носитель заряда — krūvininkas statusas T sritis chemija apibrėžtis Judanti elektringoji dalelė. atitikmenys: angl. charge carrier rus. носитель заряда …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

• носитель заряда — krūvininkas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. charge carrier vok. Ladungsträger, m rus. носитель заряда, m pranc. porteur de charge, m …   Fizikos terminų žodynas

• Носитель заряда — 13. Носитель заряда По ГОСТ 19880 74 Источник: ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических па …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• носитель (заряда, тока или информации) — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN carrier …   Справочник технического переводчика

• носитель заряда в собственном полупроводнике — savojo laidumo puslaidininkio krūvininkas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. intrinsic charge carrier vok. Ladungsträger in einem Eigenhalbleiter, m rus. носитель заряда в собственном полупроводнике, m pranc. porteur… …   Radioelektronikos terminų žodynas

• неосновной носитель заряда — šalutinis krūvininkas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. minority carrier; minority charge carrier vok. Minderheitsträger, m; Minoritätsladungsträger, m; Minoritätsträger, m rus. неосновной носитель, m; неосновной носитель заряда, m… …   Fizikos terminų žodynas

• холодный носитель заряда — šaltasis krūvininkas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. cold carrier; cold charge carrier vok. kalter Ladungsträger, m rus. холодный носитель заряда, m pranc. porteur froid, m …   Radioelektronikos terminų žodynas

носители заряда — это… Что такое носители заряда?



носители заряда

носи́тели заря́да

(носители тока), заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда — электроны и ионы. Чаще термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела. В твердотельных проводниках носители заряда — электроны проводимости и дырки.

* * *

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА НОСИ́ТЕЛИ ЗАРЯ́ДА (носители тока), заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда — электроны и ионы. Чаще всего термин «носители заряда» применяется в физике твердого тела. В твердотельных проводниках носители заряда — электроны проводимости и дырки (см. ДЫРКА).

Энциклопедический словарь. 2009.

• нос
• носитель данных

Смотреть что такое «носители заряда» в других словарях:

• Носители заряда — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока. Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы носителя заряда является дырка.… …   Википедия

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока) заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда электроны и ионы. Чаще всего термин носители заряда применяется в физике твердого тела. В… …   Большой Энциклопедический словарь

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА, заряженные частицы, обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В ионизированных газах носители заряда электроны и ионы; в твердых телах электроны проводимости и дырки; в электролитах ионы …   Современная энциклопедия

• Носители заряда — НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА, заряженные частицы, обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В ионизированных газах носители заряда – электроны и ионы; в твердых телах – электроны проводимости и дырки; в электролитах – ионы.   …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), общее название заряж. подвижных ч ц или квазичастиц, способных обеспечивать прохождение электрич. тока через в во. Чаще всего термин «Н. т.» применяется в физике твёрдого тела, где объединяет эл ны проводимости и дырки (см.… …   Физическая энциклопедия

• Носители заряда —         носители тока, общее название подвижных частиц (или квазичастиц (См. Квазичастицы)), несущих электрический заряд и способных обеспечивать прохождение электрического тока через данное вещество. Чаще всего этот термин применяется в физике… …   Большая советская энциклопедия

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), заряж. частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрич. тока через данное в во. В газе Н.з. электроны и ионы. Чаще термин Н. з.» применяется в физике тв. тела. В твердотельных проводниках Н.з. электроны… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В ТВЁРДОМ ТЕЛЕ — (носители тока) подвижные частицы или квазичастицы, участвующие в процессах электропроводности. Перенос заряда в твёрдых телах может осуществляться движением электронов и дырок из частично заполненных зон (см. Зонная теория), ионов ( диэлектрики) …   Физическая энциклопедия

• неосновные носители заряда полупроводника — неосновные носители Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике меньше, чем концентрация основных носителей заряда. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые Синонимы неосновные носители …   Справочник технического переводчика

• равновесные носители заряда полупроводника — равновесные носители Ндп. тепловые носители Носители заряда, возникновение которых явилось следствием тепловых колебаний кристаллической решетки полупроводника в условиях термодинамического равновесия. [ГОСТ 22622 77] Недопустимые,… …   Справочник технического переводчика

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — это… Что такое НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА?



НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА, заряженные частицы, обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В ионизированных газах носители заряда — электроны и ионы; в твердых телах — электроны проводимости и дырки; в электролитах — ионы.

Современная энциклопедия. 2000.

• НОРФОЛКЦЫ
• НОСОВ

Смотреть что такое «НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА» в других словарях:

• Носители заряда — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока. Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы носителя заряда является дырка.… …   Википедия

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока) заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда электроны и ионы. Чаще всего термин носители заряда применяется в физике твердого тела. В… …   Большой Энциклопедический словарь

• Носители заряда — НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА, заряженные частицы, обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В ионизированных газах носители заряда – электроны и ионы; в твердых телах – электроны проводимости и дырки; в электролитах – ионы.   …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), общее название заряж. подвижных ч ц или квазичастиц, способных обеспечивать прохождение электрич. тока через в во. Чаще всего термин «Н. т.» применяется в физике твёрдого тела, где объединяет эл ны проводимости и дырки (см.… …   Физическая энциклопедия

• носители заряда — (носители тока), заряженные частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрического тока через данное вещество. В газе носители заряда  электроны и ионы. Чаще термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела.… …   Энциклопедический словарь

• Носители заряда —         носители тока, общее название подвижных частиц (или квазичастиц (См. Квазичастицы)), несущих электрический заряд и способных обеспечивать прохождение электрического тока через данное вещество. Чаще всего этот термин применяется в физике… …   Большая советская энциклопедия

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА — (носители тока), заряж. частицы (или квазичастицы), обусловливающие прохождение электрич. тока через данное в во. В газе Н.з. электроны и ионы. Чаще термин Н. з.» применяется в физике тв. тела. В твердотельных проводниках Н.з. электроны… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

• НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В ТВЁРДОМ ТЕЛЕ — (носители тока) подвижные частицы или квазичастицы, участвующие в процессах электропроводности. Перенос заряда в твёрдых телах может осуществляться движением электронов и дырок из частично заполненных зон (см. Зонная теория), ионов ( диэлектрики) …   Физическая энциклопедия

• неосновные носители заряда полупроводника — неосновные носители Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике меньше, чем концентрация основных носителей заряда. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые Синонимы неосновные носители …   Справочник технического переводчика

• равновесные носители заряда полупроводника — равновесные носители Ндп. тепловые носители Носители заряда, возникновение которых явилось следствием тепловых колебаний кристаллической решетки полупроводника в условиях термодинамического равновесия. [ГОСТ 22622 77] Недопустимые,… …   Справочник технического переводчика

Носитель (электрического) заряда — это… Что такое Носитель (электрического) заряда?



Носитель (электрического) заряда

1. Частица, содержащая неодинаковое число элементарных электрических зарядов разного знака

Употребляется в документе:

ГОСТ Р 52002-2003

Электротехника. Термины и определения основных понятий

Телекоммуникационный словарь. 2013.

• Носимая радиостанция
• Носитель данных

Смотреть что такое «Носитель (электрического) заряда» в других словарях:

• Носитель электрического заряда — частица, содержащая неодинаковое число элементарных электрических зарядов разного знака… Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА . ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ. ГОСТ Р 52002 2003 (утв. Постановлением Госстандарта РФ от 09.01.2003 N 3 ст) …   Официальная терминология

• носитель (электрического) заряда — 5 носитель (электрического) заряда Частица, содержащая неодинаковое число элементарных электрических зарядов разного знака Источник: ГОСТ Р 52002 2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• носитель заряда — Частица, содержащая неодинаковое число элементарных электрических зарядов разного знака. [ГОСТ Р 52002 2003] Синонимы носитель электрического заряда …   Справочник технического переводчика

• носитель — 2.4.4. носитель (vehicle): Вещество, используемое для смешивания, диспергирования или растворения тестируемого или стандартного объекта и позволяющее облегчить его введение в тест систему. Источник: ГОСТ Р 53434 2009: Принципы надлежащей… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Заряда сохранения закон —         один из фундаментальных строгих законов природы, состоящий в том, что алгебраическая сумма (с учётом знака) электрических зарядов (См. Электрический заряд) любой замкнутой (электрически изолированной) системы остаётся неизменной, какие бы …   Большая советская энциклопедия

• носитель заряда — носитель заряда; отрасл. носитель тока Заряженная частица (электрон, ион, молион и т. п.), могущая передвигаться в веществе под действием электрического поля …   Политехнический терминологический толковый словарь

• носитель тока — носитель заряда; отрасл. носитель тока Заряженная частица (электрон, ион, молион и т. п.), могущая передвигаться в веществе под действием электрического поля …   Политехнический терминологический толковый словарь

• Носитель заряда — Носители заряда общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока. Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы носителя заряда… …   Википедия

• ГОСТ Р 52002-2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий — Терминология ГОСТ Р 52002 2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий оригинал документа: 128 (идеальный электрический) ключ Элемент электрической цепи, электрическое сопротивление которого принимает нулевое либо бесконечно… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Теория психики — П. М. Денисюк Теория: «ПОДОБИЕ АТОМА и ЧЕЛОВЕКА» В данном случае, теория: «подобие атома и человека», объединила 1. физику, 2. философию и 3. психологию – как самых древних направлений и изысканий человеческой мысли. 1. Физика – ядерная,… …   Википедия

3.2.10 Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Видеоурок 1: Электрический ток в различных средах  

Видеоурок 2: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый

Лекция: Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Носители заряда в проводниках

Для того, чтобы по проводнику шел ток, в нем должны присутствовать свободные носители заряда. Это могут быть электроны, ионы или другие частицы. 

Самыми распространенными проводниками считаются металлы, которые имеют электронную проводимость. 

Она возникает в результате того, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне имеются свободные электроны, которые достаточно просто вырываются под действием электрической силы, а разность потенциалов направляет их. В качестве проводников так же можно использовать электролиты, заряженными частицами в них являются положительные и отрицательные ионы.

Ток в металлах, ток в электролитах, диэлектрики

Электрический ток в металлах протекает благодаря свободным электронам, которые начинают свое движение под действием внешнего электрического поля. В случае, если температура металла повышается, частицы начинают беспорядочно двигаться, что приводит к ухудшению прохождения электрического тока. В данном случае с ростом температуры сопротивление также увеличивается.

Стоит отметить, что поваренная соль, а также очищенная от примесей вода, являются диэлектриками, то есть не проводят ток. Однако, если данные вещества соединить, то такой тандем станет отличным проводником. В результате появления электрического поля в растворах электролитов возникает электролитическая диссоциация, то есть происходит распад элементов на положительные и отрицательные ионы. В результате этого появляются свободные носители заряда.

Если начать пропускать ток через электролит, в котором имеется ионы, то положительные из них будут стремиться осесть на катоде, а отрицательные — на аноде.

С помощью закона Фарадея можно рассчитать, какое количество элементов осядет на поверхности электродов:

Именно по средствам электролиза происходит покрытие некоторых деталей необходимыми элементами. К такой детали подводят ток необходимой полярности, в зависимости от знака иона, и на ней начинают оседать необходимые элементы.

Диэлектрики не способны проводить электрический ток из-за отсутствия носителей зарядов. Все  структурные частицы диэлектриков находятся в устойчивом положении в узлах решетки. Поэтому, если некоторый диэлектрик поместить в электрическое поле — никаких изменений не произойдет.

Электрический ток в газах

Газы являются плохими диэлектриками, которые при обычных условиях считаются плохими проводниками. Однако в результате ионизации, газы в них появляются свободные носители зарядов. Ионизация может происходить в результате различных излучений или резких изменений других характеристик среды.

Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.

Полупроводники

Кроме основного разделения на проводники и диэлектрики, существует некие промежуточные вещества. Удельное сопротивление таких проводников такое же или даже меньше, чем у проводников. К данным видам материалов относятся германий, кремний и другие элементы. Данным веществам характерно уменьшения сопротивления вследствие повышения температуры или же освещенности. Это значит, что в обычном состоянии такие вещества ничем не отличаются от обыкновенных диэлектриков, но при соответствующих условиях становятся отличными проводниками.

Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет. Что касается света, то для проводников он не играет никакой роли, а полупроводникам снижает сопротивление.  Так как во время протекания тока не происходит переноса вещества, можно судить, что носителями заряда являются электроны.

Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей.

Основным отличием строения полупроводников является ковалентная связь атомов, которая является единственной причиной, по которой они удерживаются на своих местах в кристаллической решетке.

Строение кремния

Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.

Все шары на рисунке — это атомы элемента, а трубки, что их соединяют — ковалентная связь. Стоит обратить внимание, что каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент имеет валентность, равную четырем.

Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы. При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью. Забегая вперед, можно отметить, что именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны.

Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока.

Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка — это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы. Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается. Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.

Примеси, P-n-переход

В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток.

Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов.

В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику.

Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь рвется и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.

Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход.

На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа — электронная проводимость.  В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница — остается заряд, что не был скомпенсирован.

Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости.

Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится:

P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении. Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах.

Если диод изображен таким образом, как показано выше, то это значит, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.

§1.Микроскопические носители электрических зарядов | Политех в Сети

Классификация.

Под микроскопическими носителями зарядов понимают заряженные частицы и ионы. Они могут нести как положительный, так и отрицательный заряд. По числовому значению он может быть лишь в целое число раз больше элементарного:

Кл

К настоящему времени, не смотря на значительные экспериментальные усилия, не обнаружено микроскопических носителей с дробным зарядом в свободном состоянии.

Известно более 200 частиц и громадное число ионов, атомов и молекул. Большая часть частиц после возникновения существует непродолжительное время, по истечении которого распадается на другие частицы, т. е. частицы имеют конечное время жизни. В большинстве случаев оно чрезвычайно мало и составляет ничтожные доли секунды. Но есть небольшое число заряженных частиц, имеющих бесконечное время жизни. Это электрон, протон и их античастицы: позитрон и антипротон. Протоны входят в состав ядер атомов, а электроны в состав электронных оболочек атомов. Именно эти частицы и обуславливают практически все явления, изучаемые в курсе электричества и магнетизма. В состав ядер входят также и нейтроны. Они электрически нейтральны и время их жизни в составе ядер не ограничено. Однако, вне ядер, т. е. в свободном состоянии, время их жизни порядка 17 минут. Электроны и протоны в свободном состоянии имеют бесконечное время жизни.

Заряженность ионов обусловливается тем, что в состав электронной оболочки атома или молекулы входят “лишние” электроны (отрицательные ионы), или их недостает одного или нескольких (положительные ионы). Поэтому вопрос об ионах как микроскопических носителях зарядов сводится к вопросу о зарядах электронов и протонов.

Электрон.

Электрон является материальным носителем элементарного отрицательного заряда . Обычно принимается, что электрон является точечной бесструктурной частицей, т. е. весь электрический заряд электрона сосредоточен в точке. Такое представление внутренне противоречиво, так как энергия электрического поля, создаваемого точечным зарядом, бесконечна, а, следовательно, должна быть бесконечной и инертная масса точечного заряда, что противоречит эксперименту, поскольку масса электрона равна кг. Однако с этим противоречием приходится мириться вследствие отсутствия более удовлетворительного и менее противоречивого взгляда на структуру (или отсутствие структуры) электрона. Трудность бесконечной собственной массы успешно преодолевается при вычислениях различных эффектов с помощью перенормировки массы.

Протон.

Протон является носителем элементарного положительного заряда , но в отличие от электрона протон имеет внутреннюю структуру в распределении заряда. Экспериментами по взаимодействию быстрых заряженных частиц (электронов) с протонами было установлено, что электрический заряд внутри протона распределен по пространству. Была получена характерная кривая, содержащая два ярко выраженных максимума (Рисунок 1а). Если по оси ординат отложить плотность суммарного по всем направлениям заряда на расстоянии от центра (поскольку величина – полный заряд в сферическом слое, толщиной при плотности ), то можно видеть что практически весь заряд протона сосредоточен в шаре порядка М. После первого максимума не убывает монотонно, а имеет еще один максимум.

Нейтрон.

Аналогичные эксперименты были проведены также по рассеянию электронов на нейтронах. Оказалось, что внутри нейтрона также имеется электромагнитная структура. Распределение заряда приведено на рисунке 2а.

Очевидно, вблизи центра нейтрона располагается положительный заряд, а дальше от центра – отрицательный. Площади, ограниченные кривыми и осью абсцисс, равны, следовательно, положительный заряд равен отрицательному, и в целом нейтрон электрически нейтрален. Отметим, что размеры областей, в которых сосредоточены электрические заряды у протона и нейтрона примерно одинаковы.

Что означает непрерывное распределение электрического элементарного заряда? Ведь до настоящего времени не удалось обнаружить физических объектов с дробным зарядом. Каков же смысл утверждения, что в объеме Находится небольшая часть элементарного заряда?

В настоящее время считается, что протон состоит из двух квазичастиц – кварков с зарядами +2/3 и одного с зарядом-/3 (см. рис. 1б). Нейтрон наоборот состоит из двух кварков с зарядом —/3 и одного с зарядом +2/3 (см. рис. 2б). Кварки непрерывно движутся. Их относительное время пребывания на различных расстояниях от центра может быть эффективно представлено в виде размазанности заряда по объему. В свободном состоянии кварки не обнаружены. В настоящее время считается, что их в принципе нельзя обнаружить в свободном состоянии, поскольку для этого надо затратить бесконечную энергию, а внутри протона и нейтрона они все же существуют. Такое допущение позволяет объяснить многие явления и поэтому принимается в качестве весьма вероятной гипотезы.

Спин и магнитный момент.

Кроме заряда частицы могут обладать моментом импульса, который называют спином. Спин не обусловлен вращением частицы вокруг оси, ибо для такого объяснения пришлось бы допустить наличие линейной скорости вращения, большей скорости света, что невозможно. Поэтому спин рассматривается как внутреннее свойство частицы и с ним связано наличие у частицы магнитных свойств, а именно наличие магнитного момента, который также не может быть объяснен движением заряда и рассматривается как первоначальное свойство частицы. Отметим, что в классической электродинамике магнитный момент может быть лишь результатом движения зарядов по замкнутым траекториям.

Поэтому спиновый магнитный момент частиц не может быть описан в классической теории электричества и магнетизма. Однако магнитное поле, обусловленное спиновыми магнитными моментами, может быть при необходимости описано феноменологически. Как правило, напряженность этого поля очень мала. Лишь в случае постоянных магнитов оно достигает больших значений. Классическая теория не в состоянии описать механизм возникновения этого поля, но само поле вне постоянных магнитов полностью описывается классической теорией.

Элементарный заряд и его инвариантность.

Мысль о дискретности электрических зарядов была впервые высказана Франклином в 1752 г., однако, как экспериментальный результат — дискретность электрических зарядов в принципе следует из открытых в 1834 г. М. Фарадеем (1791-1867) законов электролиза. Но этот вывод из законов электролиза был сделан лишь в 1881 г. Г. Л. Гельмгольцем (1821-1894) и Д. Стонеем (1826-1911). В 1895 г. Г. Лоренц (1853-1928) разработал теорию электромагнетизма, основывающуюся на представлении о реально существующих элементарных зарядах (электронах). Числовое значение элементарного заряда было теоретически вычислено на основании законов электролиза. А прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было впервые выполнено Милликеном (1868-1953) в 1909 г.

Опыт Милликена.

Схема опытов Милликена изображена на рисунке 3.

Милликен рассматривал движение маленьких шарообразных частиц в вязкой жидкости в электрическом поле под действием силы тяжести , силы Архимеда , электрической силы и силы вязкого трения . Уравнение второго закона Ньютона имеет вид:

+++=0 (1.1)

Все силы, кроме = могут быть измерены экспериментально при движении частицы без электрического поля. Значит из (1.1) можно найти , а зная найти . Заряд частицы меняется с течением времени, что отражается на движении частицы. Найдя и в разные моменты времени можно найти . Можно также изменять напряженность электрического поля и добиться, чтобы частица находилась в покое. В этом случае сила трения отсутствует, а остальные силы известны. Поэтому, зная , можно определить . Произведя большое число измерений зарядов, Милликен нашел, что является всегда кратным одной и той же величине ; т. е. Милликен установил, что , ,Кл.

Естественно в дальнейшем были разработаны более современные методы (резонансный метод) но результат был один — Дробных зарядов в свободном состоянии не существует.

В опытах по измерению зарядов измерялся как положительный так и отрицательный элементарный заряд. В настоящее время экспериментально установлено, что отрицательный элементарный заряд электрона равен по абсолютному значению положительному заряду протона с относительной точностью 10-21, т. е. во всяком случае — относительная ошибка.

Инвариантность заряда.

Инвариантность заряда состоит в независимости его численного значения от скорости. Фактически инвариантность доказывается фактом нейтральности атома. Из – за различий масс электрона и протона можно заключить, что электроны в атомах движутся гораздо быстрее протонов. И если бы заряд зависел от скорости, то нейтральность была бы нарушена. В настоящее время экспериментально доказана инвариантность заряда для скоростей электронов вплоть до , где с=3М/с – скорость света в вакууме. Нет оснований предполагать, что он не инвариантен и при более высоких скоростях. Поэтому инвариантность заряда принимается в качестве одного из экспериментальных обоснований теории электричества.