Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с основных операторов связи )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике , А носители заряда является частицей или квазичастично , что может свободно двигаться, неся электрическим заряд , особенно частицы , которые несут электрические заряды в электрических проводниках . [1] Примерами являются электроны , ионы и дырки . В проводящей среде электрическое поле может воздействовать на эти свободные частицы, вызывая результирующее движение частиц через среду; это то, что составляет электрический ток . [2] В проводящих средах частицы несут заряд:

  • Во многих металлах носителями заряда являются электроны . Один или два валентных электрона от каждого атома могут свободно перемещаться внутри кристаллической структуры металла. [3] Свободные электроны называются электронами проводимости , а облако свободных электронов называется ферми-газом . [4] [5] Многие металлы имеют электронные и дырочные зоны. У некоторых большинство носителей - дырки. [ необходима цитата ]
  • В электролитах , такие как соли воды , носители заряда являются ионами , [5] , которые представляют собой атомы или молекулы , которые приобрели или потеряли электроны , таким образом они электрически заряжены. Атомы, получившие электроны и получившие отрицательный заряд, называются анионами , а атомы, потерявшие электроны и получившие положительный заряд, называются катионами . [6] Катионы и анионы диссоциированной жидкости также служат носителями заряда в расплавленных ионных твердых телах (см., Например, процесс Холла-Эру в качестве примера электролиза расплавленного ионного твердого вещества). Протонные проводникиявляются электролитическими проводниками, использующими положительные ионы водорода в качестве носителей. [7]
  • В плазме , электрически заряженном газе, который находится в электрических дугах через воздух, неоновые вывески , солнце и звезды, электроны и катионы ионизированного газа действуют как носители заряда. [8]
  • В вакууме свободные электроны могут действовать как носители заряда. В электронном компоненте, известном как вакуумная трубка (также называемая клапаном ), мобильное электронное облако создается нагретым металлическим катодом с помощью процесса, называемого термоэлектронной эмиссией . [9] Когда электрическое поле прикладывается достаточно сильным, чтобы втянуть электроны в пучок, это можно назвать катодным лучом , и это основа дисплея на электронно-лучевой трубке, широко используемого в телевизорах и компьютерных мониторах до 2000-х годов. [10]
  • В полупроводниках , которые используются 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 электронном населенном пункте валентной зоны полупроводника и рассматриваются как носители заряда, поскольку они подвижны, перемещаясь от одного узла к другому. В полупроводниках n-типа электроны в зоне проводимости движутся через кристалл, в результате чего возникает электрический ток.

В некоторых проводниках, таких как ионные растворы и плазма, сосуществуют положительные и отрицательные носители заряда, 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 [ править ]

В полупроводниках есть два признанных типа носителей заряда . Один из них - электроны , несущие отрицательный электрический заряд . Кроме того, бегущие вакансии в электронной популяции валентной зоны ( дырки ) удобно рассматривать как второй тип носителей заряда, которые несут положительный заряд, равный по величине заряду электрона. [11]

Генерация и рекомбинация носителей [ править ]

Основная статья: Генерация носителей и рекомбинация

Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. [12] 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 ). [13]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, создаваемые в валентной зоне, когда электрон возбуждается после получения некоторой энергии для прохождения энергетической щели.

Мажоритарные и миноритарные носители [ править ]

Более распространенные носители заряда называются основными носителями , которые в первую очередь ответственны за перенос тока в части полупроводника. 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. [14]

В собственном полупроводнике , не содержащем 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. [15]

Неосновные носители играют важную роль в биполярных транзисторах и солнечных элементах . [16] Их роль в полевых транзисторах (FET) немного сложнее: например, MOSFET имеет области p-типа и n-типа. В действие транзистора вовлекаются основные носители в областях истока и стока , но эти носители проходят через тело противоположного типа, где они являются неосновными носителями. Однако пересекающих носителей намного больше, чем их противоположного типа в области переноса (фактически, носители противоположного типа удаляются приложенным электрическим полем, которое создает инверсионный слой), поэтому обычно используются обозначения истока и стока для несущих, а полевые транзисторы называют устройствами с «основной несущей». [17]

Концентрация свободных носителей [ править ]

Основная статья: Плотность носителей заряда

Концентрация свободных носителей - это концентрация свободных носителей в легированном полупроводнике . Он аналогичен концентрации носителей в металле и может использоваться для расчета токов или скоростей дрейфа таким же образом. Свободные носители - это электроны (или дырки ), которые были введены непосредственно в зону проводимости (или валентную зону ) путем легирования и не продвигаются термически. По этой причине электроны (дырки) не будут действовать как двойные носители, оставляя дырки (электроны) в другой зоне. Другими словами, носители заряда - это частицы / электроны, которые могут свободно перемещаться (переносить заряд). [18]

См. Также [ править ]

  • Срок службы носителя
  • Цвет заряда
  • Молекулярная диффузия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дхаран, Гокул; Стенхаус, Кайлин; Донев, Джейсон (11 мая 2018 г.). «Энергетическое образование - носитель заряда» . Проверено 30 апреля 2021 года .
  2. ^ Нейв , Р. "Микроскопический взгляд на электрический ток" . Проверено 30 апреля 2021 года .
  3. ^ Наве, Р. "Проводники и изоляторы" . Проверено 30 апреля 2021 года .
  4. ↑ Фитцпатрик, Ричард (2 февраля 2002 г.). «Электроны проводимости в металле» . Проверено 30 апреля 2021 года .
  5. ^ a b "Проводники-Изоляторы-Полупроводники" . Проверено 30 апреля 2021 года .
  6. ↑ Стюард, Карен (15 августа 2019 г.). «Катион против аниона: определение, диаграмма и периодическая таблица» . Проверено 30 апреля 2021 года .
  7. ^ Рамеш Суввада (1996). «Лекция 12: Протонная проводимость, стехиометрия» . Университет Иллинойса в Урбане-Шампейн . Проверено 30 апреля 2021 года .
  8. ^ Souček, Павел (24 октября 2011). «Плазменная проводимость и диффузия» (PDF) . Проверено 30 апреля 2021 года .
  9. ↑ Альба, Майкл (19 января 2018 г.). «Вакуумные трубки: мир до транзисторов» . Проверено 30 апреля 2020 года .
  10. ^ "Катодные лучи | Введение в химию" . Проверено 30 апреля 2021 года .
  11. ^ Нейв, Р. "Внутренние полупроводники" . Проверено 1 мая 2021 года .
  12. ^ Ван Zeghbroeck, B. (2011). «Рекомбинация и генерация носителей» . Проверено 1 мая 2021 года .
  13. ↑ дель Аламо, Хесус (12 февраля 2007 г.). «Лекция 4 - Генерация и рекомбинация носителей» (PDF) . MIT Open CoursWare, Массачусетский технологический институт. п. 3 . Проверено 2 мая 2021 года .
  14. ^ «Большинство и неосновные носители заряда» . Проверено 2 мая 2021 года .
  15. ^ Нейв, Р. "Легированные полупроводники" . Проверено 1 мая 2021 года .
  16. ^ Смит, JS "Лекция 21: BJTs" (PDF) . Проверено 2 мая 2021 года .
  17. ^ Тулбуре, Dan (22 февраля 2007). «Вернемся к основам силовых полевых МОП-транзисторов» . EE Times . Проверено 2 мая 2021 года .
  18. ^ Ван Zeghbroeck, B. (2011). «Плотности носителей» . Проверено 1 мая 2021 года .