Перевозчик заряда

Свободно движущаяся частица, несущая электрический заряд.

В физике носителем заряда является частица или квазичастица , которая может свободно двигаться, неся электрический заряд , особенно частицы, несущие электрические заряды в электрических проводниках . ^[1] Примерами являются электроны , ионы и дырки . Этот термин чаще всего используется в физике твердого тела . ^[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 и протон являются элементарными носителями заряда , каждый из которых несет один элементарный заряд ( e ) 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 цитата ]}
• В электролитах , таких как соленая вода , носителями заряда являются ионы ^[6] , которые представляют собой атомы или молекулы, которые приобрели или потеряли электроны, поэтому они электрически заряжены. 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, процесс Холла-Эру для примера 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 в воздухе, неоновых вывесках , на солнце и звездах, 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 . Кроме того, в качестве второго типа носителей заряда, несущих положительный заряд, равный по величине заряду электрона, удобно рассматривать бегущие вакансии в заселении электронов валентной зоны ( дырки ). ^[12]

Генерация носителей и рекомбинация

Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют , и эти свободные носители фактически исчезают. ^[13] Выделяемая энергия может быть либо тепловой, нагревая полупроводник ( тепловая 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 и в первую очередь отвечают 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 обоих типов носителей 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]

Смотрите также

• Срок службы носителя
• Свободный заряд
• Молекулярная диффузия

Рекомендации

1. Дхаран, Гокул; Стенхаус, Кейлин; Донев, Джейсон (11 мая 2018 г.). «Энергетическое образование – Носитель заряда» . Проверено 30 апреля 2021 г.
2. "Носитель 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.
6. «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: BJT» (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.