ПОДВИ́ЖНОСТЬ ИО́НОВ И ЭЛЕКТРО́НОВ
ПОДВИ́ЖНОСТЬ ИО́НОВ И ЭЛЕКТРО́ НОВ в газе и низкотемпературной плазме, величина, равная отношению скорости дрейфа $v_$ электронов (ионов) в газе (плазме) к величине напряжённости электрич. поля $E$ , вызывающего этот дрейф. Понятие П. и. и э. имеет физич. смысл, когда характерная длина свободного пробега частицы много меньше размера системы в направлении движения частицы. П. и. и э. $μ_$ выражается через электронную (ионную) проводимость плазмы $σ_$ : $$μ_=σ_/eN_,$$ где $N_$ – концентрация электронов (ионов), $e$ – заряд электрона. Теоретически П. и. и э. впервые проанализировал П. Ланжевен в 1903. Брит. физик Дж. Таунсенд впервые измерил μ e, изучая диффузию пучка электронов, движущихся в электрич. поле, и смещение этого пучка в магнитном поле.
Электрическая проводимость
Электри́ческая проводи́мость (электропроводность), способность вещества проводить электрический ток под действием электрического поля ; физическая величина, количественно характеризующая эту способность. Электрическая проводимость обусловлена присутствием свободных носителей заряда в веществе, направленное движение которых и создаёт электрический ток.
В однородных изотропных проводниках плотность электрического тока j \boldsymbol j j связана с напряжённостью электрического поля E \boldsymbol E E законом Ома j = σ E \boldsymbol j=σ\boldsymbol E j = σ E , где постоянный коэффициент пропорциональности σ σ σ называется электрической проводимостью или удельной проводимостью. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным электрическим сопротивлением .
В анизотропных проводниках , например в монокристаллах , электрическая проводимость для разных направлений может быть различной. Это приводит к неколлинеарности векторов j \boldsymbol j j и E \boldsymbol E E и тензорной связи между ними: j i = σ i �� E �� \boldsymbol j_i=σ_\boldsymbol E_�� j i = σ ik E k . Электрическая проводимость в этом случае описывается тензором 2-го ранга σ σ σ . Тензор электрической проводимости удовлетворяет соотношениям Онсагера σ i �� = σ �� i σ_=σ_ σ ik = σ ki , т. е. является симметричным.
В общем случае зависимость j \boldsymbol j j от E \boldsymbol E E нелинейна, т. к. σ i �� σ_ σ ik зависит от E \boldsymbol E E . В этом случае вводят понятие дифференциальной электрической проводимости σ дифф = d j / d E σ^=d\boldsymbol j/d\boldsymbol E σ дифф = d j / d E . В сильно неравновесных условиях (сильное электрическое поле, интенсивное освещение) дифференциальная электрическая проводимость в некоторой области напряжённостей электрических полей может стать отрицательной (см. Отрицательное дифференциальное сопротивление ). Теоретический анализ показывает, что в некоторых особых неравновесных ситуациях возможна отрицательная полная электрическая проводимость (это означает, что j \boldsymbol j j и E \boldsymbol E E антипараллельны, т. е. ток течёт навстречу полю).
Электрическая проводимость связана с подвижностью носителей заряда μ μ μ соотношением: σ = q n μ σ=qnμ σ = q n μ , где q q q и n n n – заряд и концентрация носителей. В случае когда электрическая проводимость осуществляется несколькими типами носителей, характеризующимися зарядами q i q_i q i , подвижностями μ i μ_i μ i и концентрациями n i n_i n i , полная электрическая проводимость равна сумме парциальных электрических проводимостей: σ = ∑ i q i n i μ i . σ=\sum_i q_i n_i μ_i. σ = ∑ i q i n i μ i . Физический механизм, величина и температурная зависимость электрической проводимости лежат в основе классификации твёрдых тел , подразделяемых на диэлектрики , полупроводники и металлы . Диэлектрики в равновесном состоянии характеризуются отсутствием свободных электронов. Электрическая проводимость в них осуществляется посредством перескоков собственных или примесных ионов между соседними узлами кристаллической решётки или междоузлиями и носит активационный характер, экспоненциально возрастая при повышении температуры. При комнатной температуре электрическая проводимость диэлектриков изменяется в диапазоне от 10 –12 до 10 –10 Ом –1 ·см –1 .
В полупроводниках электрическая проводимость осуществляется движением электронов проводимости (электронная проводимость) и дырок (дырочная проводимость), подвижность которых на много порядков превышает подвижность ионов, следовательно, электрическая проводимость полупроводников намного больше, чем электрическая проводимость диэлектриков. При комнатной температуре она составляет 10 –9 –10 3 Ом –1 ·см –1 и сильно зависит от химического состава и наличия примесей. Температурная зависимость электрической проводимости полупроводников определяется в основном быстрым (экспоненциальным) увеличением концентрации электронов и дырок с ростом температуры. В неупорядоченных полупроводниках возможна также прыжковая проводимость . Электрическая проводимость полупроводников сильно зависит от внешних воздействий ( магнитного поля , освещения, ионизирующего излучения , давления и др.).
Металлы характеризуются высокой (сравнимой с числом атомов в единице объёма) концентрацией носителей заряда, и с этим связана их высокая электрическая проводимость (10 4 –10 6 Ом –1 ·см –1 при комнатной температуре). Концентрация носителей заряда в металлах отлична от нуля даже при абсолютном нуле температуры . Температурная зависимость электрической проводимости обусловлена изменением (увеличением) длины свободного пробега (и, следовательно, подвижности) носителей заряда при понижении температуры. При низких температуpax электрическая проводимость многих металлов и сплавов становится бесконечной (см. Сверхпроводимость ). Электрическая проводимость металла связана с его теплопроводностью законом Видемана – Франца . Величина электрической проводимости определяет глубину проникновения электромагнитного поля в проводник (см. Скин-эффект ) и время релаксации объёмного заряда.
Электрическая проводимость жидкостей , газов и плазмы обладает рядом особенностей, отличающих её от электрической проводимости твёрдых тел (см. в статьях Электрические разряды в газах , Электролиты ).
В СИ удельная электрическая проводимость измеряется в сименсах на метр (См·м –1 ) или в Ом –1 ·м –1 (в физике чаще используют единицу Ом –1 ·см –1 ); в СГСЭ – в обратных секундах (с –1 ).
Редакция физических наук
Опубликовано 18 июля 2022 г. в 10:49 (GMT+3). Последнее обновление 14 октября 2022 г. в 19:40 (GMT+3). Связаться с редакцией
Подвижность электронов: что это такое и как она влияет на работу электронных устройств
В данной статье рассматривается понятие и факторы, влияющие на подвижность электронов, а также температурная зависимость и применение этого явления в технологиях.
Подвижность электронов: что это такое и как она влияет на работу электронных устройств обновлено: 12 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Введение
В материаловедении подвижность электронов является важным понятием, которое описывает способность электронов перемещаться в материале под воздействием электрического поля. Подвижность электронов зависит от различных факторов, таких как концентрация электронов, температура и структура материала. В данном плане лекции мы рассмотрим определение подвижности электронов, факторы, влияющие на нее, температурную зависимость, эффекты, связанные с подвижностью электронов, а также применение этого явления в технологиях.
Нужна помощь в написании работы?
Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.
Факторы, влияющие на подвижность электронов
Подвижность электронов – это способность электронов в проводящем материале перемещаться под воздействием электрического поля. Она является важной характеристикой материала и может быть определена как отношение скорости электронов к величине электрического поля.
Существует несколько факторов, которые могут влиять на подвижность электронов:
Кристаллическая структура материала
Кристаллическая структура материала определяет его электронную структуру и влияет на подвижность электронов. В кристаллических материалах электроны могут свободно перемещаться по кристаллической решетке, что способствует высокой подвижности. В аморфных материалах, где нет четкой кристаллической структуры, подвижность электронов может быть ниже.
Температура
Температура также оказывает влияние на подвижность электронов. При повышении температуры электроны получают больше энергии, что способствует их более активному движению и увеличению подвижности. Однако, при очень высоких температурах может происходить рассеяние электронов, что может снизить подвижность.
Примеси и дефекты
Примеси и дефекты в материале могут влиять на подвижность электронов. Примеси могут создавать дополнительные уровни энергии, которые могут влиять на движение электронов. Дефекты в кристаллической структуре также могут приводить к рассеянию электронов и снижению подвижности.
Электрическое поле
Сила и направление электрического поля также влияют на подвижность электронов. Под действием сильного электрического поля электроны могут двигаться быстрее и иметь более высокую подвижность.
Все эти факторы взаимодействуют и могут влиять на подвижность электронов в материале. Понимание этих факторов позволяет улучшить подвижность электронов и использовать ее в различных технологиях, таких как полупроводники и электроника.
Температурная зависимость подвижности электронов
Подвижность электронов в материале зависит от его температуры. Обычно, с увеличением температуры, подвижность электронов уменьшается. Это связано с различными физическими процессами, которые происходят в материале при изменении температуры.
Рассеяние на фононах
Фононы – это кванты колебаний решетки материала. При повышении температуры, колебания решетки становятся более интенсивными, что приводит к увеличению рассеяния электронов на фононах. Это влияет на подвижность электронов, снижая ее.
Рассеяние на примесях и дефектах
При повышении температуры, примеси и дефекты в материале могут становиться более активными. Это приводит к увеличению рассеяния электронов на примесях и дефектах, что также снижает подвижность электронов.
Ионизация примесей
При высоких температурах, некоторые примеси в материале могут ионизироваться, т.е. потерять или приобрести электроны. Это может привести к изменению концентрации электронов и, следовательно, к изменению подвижности электронов.
Таким образом, температурная зависимость подвижности электронов в материале является важным фактором, который необходимо учитывать при проектировании и использовании материалов в различных технологиях.
Эффекты, связанные с подвижностью электронов
Электрическая проводимость
Подвижность электронов является одним из основных параметров, определяющих электрическую проводимость материала. Чем выше подвижность электронов, тем лучше материал проводит электрический ток. Это объясняется тем, что электроны могут свободно перемещаться в материале и переносить заряд.
Теплопроводность
Подвижность электронов также влияет на теплопроводность материала. Когда электроны движутся, они передают энергию другим электронам и атомам материала, что способствует передаче тепла. Чем выше подвижность электронов, тем лучше материал проводит тепло.
Эффект Холла
Подвижность электронов также может быть измерена с помощью эффекта Холла. Этот эффект возникает при наличии магнитного поля, перпендикулярного направлению тока. Под действием магнитного поля электроны отклоняются от своего пути, и это отклонение зависит от их подвижности. Измеряя величину отклонения, можно определить подвижность электронов в материале.
Электронная мобильность
Подвижность электронов также влияет на электронную мобильность в полупроводниковых материалах. Электронная мобильность определяет скорость, с которой электроны перемещаются в полупроводнике под воздействием электрического поля. Чем выше подвижность электронов, тем выше электронная мобильность и, следовательно, лучше работает полупроводниковое устройство.
Таким образом, подвижность электронов в материале играет важную роль в различных эффектах и свойствах материала, таких как электрическая проводимость, теплопроводность, эффект Холла и электронная мобильность.
Применение подвижности электронов в технологиях
Подвижность электронов является важным параметром для различных технологий и устройств, особенно в области полупроводниковой электроники. Вот некоторые примеры применения подвижности электронов:
Транзисторы
Транзисторы – это основные строительные блоки современной электроники. Они используются во многих устройствах, от компьютеров до мобильных телефонов. Подвижность электронов в полупроводниковых материалах определяет эффективность работы транзисторов. Более высокая подвижность электронов позволяет создавать транзисторы с более высокой скоростью работы и лучшей производительностью.
Солнечные батареи
Солнечные батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую энергию. Подвижность электронов в полупроводниковых материалах, используемых в солнечных батареях, определяет эффективность преобразования солнечной энергии. Более высокая подвижность электронов позволяет солнечным батареям генерировать больше электрической энергии при одинаковом освещении.
Электронные дисплеи
Электронные дисплеи, такие как ЖК-дисплеи и OLED-дисплеи, используют полупроводниковые материалы для создания светящихся пикселей. Подвижность электронов в этих материалах влияет на скорость переключения пикселей и качество отображаемого изображения. Более высокая подвижность электронов позволяет создавать дисплеи с более высокой частотой обновления и более яркими цветами.
Электроника микросхем
Микросхемы – это интегральные схемы, которые содержат множество электронных компонентов на кристаллическом подложке. Подвижность электронов в полупроводниковых материалах, используемых в микросхемах, определяет скорость работы и энергоэффективность этих устройств. Более высокая подвижность электронов позволяет создавать микросхемы с более высокой производительностью и меньшим энергопотреблением.
В заключение, подвижность электронов играет важную роль в различных технологиях, определяя их производительность, эффективность и качество работы. Понимание и управление подвижностью электронов позволяет разрабатывать более эффективные и передовые технологии.
Таблица подвижности электронов
| Факторы | Влияние |
|---|---|
| Температура | Подвижность электронов увеличивается с увеличением температуры |
| Примеси | Примеси могут как увеличивать, так и уменьшать подвижность электронов |
| Электрическое поле | Подвижность электронов может изменяться под воздействием электрического поля |
| Структура кристаллической решетки | Структура кристаллической решетки может ограничивать подвижность электронов |
Заключение
Подвижность электронов – это свойство материалов, которое определяет их способность перемещаться под воздействием электрического поля. Она зависит от различных факторов, таких как концентрация электронов, структура кристаллической решетки и температура. Температурная зависимость подвижности электронов может быть описана различными моделями, такими как модель Друде или модель Больцмана. Подвижность электронов играет важную роль в различных технологиях, таких как полупроводники, транзисторы и солнечные батареи. Понимание и контроль подвижности электронов позволяет создавать более эффективные и энергоэффективные устройства.
Подвижность электронов: что это такое и как она влияет на работу электронных устройств обновлено: 12 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Подвижность носителей заряда
Подви́жность носи́телей заря́да в кристалле, величина, равная отношению дрейфовой скорости v др v_ v др , т. е. скорости направленного движения носителей заряда, вызванного электрическим полем , к напряжённости E E этого поля: μ = v др / E \displaystyle μ=v_/E μ = v др / E . Дрейфовая скорость и, следовательно, подвижность носителей заряда ограничиваются процессами рассеяния носителей заряда, происходящими на дефектах кристаллической решётки (главным образом на примесных атомах), а также на тепловых колебаниях кристаллической решётки. Следовательно, подвижность носителей заряда зависит от температуры T T . С понижением T T доминирующим становится рассеяние на заряженных дефектах, вероятность которого растёт с уменьшением энергии носителей заряда.
Средняя дрейфовая скорость v ‾ др = e E τ / m <\overline v_<др>=e\boldsymbol\tau/m> v др = e E τ / m , где m m – эффективная масса носителей заряда, e e – их заряд, τ τ – время релаксации импульса (т. н. транспортное время); следовательно, μ = e τ / m μ = e τ / m . Электрическая проводимость кристалла связана с подвижностью носителей заряда соотношением σ = n e μ σ = n e μ , где n n – концентрация носителей заряда. Понятие подвижности носителей заряда играет важную роль при описании свойств полупроводников и проводников, в которых n n зависит от T T , поскольку позволяет разделить вклады в электрическую проводимость, обусловленные изменением концентрации n n с температурой и температурной зависимостью вероятности рассеяния носителей заряда.
Подвижность носителей заряда при T = 300 К T = 300 К варьируется в пределах от 10 5 до 10 –3 см 2 /(В·с). В слабом электрическом поле μ > 0 <μ\gt0>μ > 0 как для электронов , так и для дырок , хотя направления их дрейфа противоположны. Разные типы носителей заряда в одном и том же веществе имеют различные значения μ μ , а в анизотропных кристаллах μ μ зависит от направления E E относительно кристаллографических осей . В сильных электрических полях средняя энергия электронов превышает равновесную и растёт с ростом напряжённости μ μ ; при этом τ τ и, следовательно, μ также начинают зависеть от E E ( горячие электроны ).
Редакция физических наук
Опубликовано 11 ноября 2022 г. в 10:19 (GMT+3). Последнее обновление 11 ноября 2022 г. в 10:19 (GMT+3). Связаться с редакцией
Информация
Области знаний: Проводимость полупроводников
- Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия»
Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-84198,
выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 15 ноября 2022 года.
ISSN: 2949-2076 - Учредитель: Автономная некоммерческая организация «Национальный научно-образовательный центр «Большая российская энциклопедия»
Главный редактор: Кравец С. Л.
Телефон редакции: +7 (495) 917 90 00
Эл. почта редакции: secretar@greatbook.ru
- © АНО БРЭ, 2022 — 2023. Все права защищены.
- Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей. - Условия использования информации. Вся информация, размещенная на данном портале, предназначена только для использования в личных целях и не подлежит дальнейшему воспроизведению.
Медиаконтент (иллюстрации, фотографии, видео, аудиоматериалы, карты, скан образы) может быть использован только с разрешения правообладателей.