В физике твердого тела носитель заряда — это частица или квазичастица , которая может свободно перемещаться, перенося электрический заряд , особенно частицы, переносящие электрические заряды в электрических проводниках . [1] Примерами являются электроны , ионы и дырки . [2] В проводящей среде электрическое поле может оказывать силу на эти свободные частицы , вызывая чистое движение частиц через среду; это и есть электрический ток . [3] Электрон и протон являются элементарными носителями заряда , каждый из которых несет один элементарный заряд ( e ) одинаковой величины и противоположного знака .
В проводящих средах частицы служат для переноса заряда:
В некоторых проводниках, таких как ионные растворы и плазма, 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 электрический ток в них просто состоит из носителей заряда, движущихся в одном направлении.
В полупроводниках существует два признанных типа носителей заряда . Один из них — электроны , которые несут отрицательный электрический заряд . Кроме того, удобно рассматривать перемещающиеся вакансии в электронной популяции валентной зоны ( дырки ) как второй тип носителей заряда, которые несут положительный заряд, равный по величине заряду электрона. [12]
Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют , и эти свободные носители фактически исчезают. [13] Высвобождаемая энергия может быть либо тепловой, нагревающей полупроводник ( термическая рекомбинация , один из источников отработанного тепла в полупроводниках), либо выделяемой 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 в валентной зоне, известное как дырки. Дырки — это пустые состояния, созданные в валентной зоне, когда электрон возбуждается после получения некоторой энергии для прохождения энергетической щели.
Более распространенные носители заряда называются основными носителями , которые в первую очередь отвечают за перенос тока в полупроводнике. В полупроводниках n-типа это электроны, а в полупроводниках p-типа это дырки. Менее распространенные носители заряда называются неосновными носителями ; в полупроводниках n-типа это дырки, а в полупроводниках p-типа это электроны. [15]
В собственном полупроводнике , который не содержит 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. Действие транзистора включает основные носители областей истока и стока , но эти носители пересекают тело противоположного типа, где они являются неосновными носителями. Однако пересекающие носители значительно превосходят по численности свой противоположный тип в области переноса (фактически, носители противоположного типа удаляются приложенным электрическим полем, которое создает инверсионный слой ), поэтому традиционно принимается обозначение истока и стока для носителей, и FET называются устройствами «основных носителей». [18]
Концентрация свободных носителей — это концентрация свободных носителей в легированном полупроводнике . Она похожа на концентрацию носителей в металле и может использоваться для расчета токов или скоростей дрейфа таким же образом. Свободные носители — это электроны ( дырки ), которые были введены в зону проводимости ( валентную зону ) путем легирования. Поэтому они не будут действовать как двойные носители, оставляя дырки (электроны) в другой зоне. Другими словами, носители заряда — это частицы, которые могут свободно перемещаться, перенося заряд. Концентрация свободных носителей легированных полупроводников показывает характерную температурную зависимость. [19]
Сверхпроводники имеют нулевое электрическое сопротивление и поэтому способны проводить ток бесконечно. Этот тип проводимости возможен благодаря образованию куперовских пар . В настоящее время сверхпроводники могут быть получены только при очень низких температурах, например, с помощью криогенного охлаждения. До сих пор достижение сверхпроводимости при комнатной температуре остается сложной задачей; это все еще область текущих исследований и экспериментов. Создание сверхпроводника, функционирующего при температуре окружающей среды, стало бы важным технологическим прорывом, который потенциально мог бы способствовать гораздо более высокой энергоэффективности в распределении электроэнергии по сетям.
При исключительных обстоятельствах позитроны , мюоны , антимюоны, тау и антитау потенциально также могут переносить электрический заряд. Теоретически это возможно, однако очень короткое время жизни этих заряженных частиц сделало бы такой ток очень сложным для поддержания на текущем уровне технологий. Возможно, этот тип тока можно искусственно создать, или он может возникнуть в природе в течение очень коротких промежутков времени.
Плазма состоит из ионизированного газа. Электрический заряд может вызывать образование электромагнитных полей в плазме, что может привести к образованию токов или даже множественных токов. Это явление используется в ядерных реакторах. Оно также встречается в природе в космосе в виде струй, туманных ветров или космических нитей, которые переносят заряженные частицы. Это космическое явление называется током Биркеланда . Рассматриваемая в общем виде, электропроводность плазмы является предметом физики плазмы .