Nosič poplatků - Charge carrier

Ve fyzice , je nosič náboje je částice nebo kvazičásticových , že se může volně pohybovat, nesoucí elektrický náboj , zejména částice, které nesou elektrické náboje v elektrických vodičů . Příkladem jsou elektrony , ionty a díry . Termín se používá nejčastěji ve fyzice pevných látek . Ve vodivém médiu může elektrické pole vyvinout sílu na tyto volné částice, což způsobí čistý pohyb částic médiem; to je to, co představuje elektrický proud . Při vedení média slouží částice k přenosu náboje:

  • V mnoha kovech jsou nosiči náboje elektrony . Jeden nebo dva z valenčních elektronů z každého atomu se mohou volně pohybovat uvnitř krystalové struktury kovu. Volné elektrony se označují jako vodivé elektrony a oblak volných elektronů se nazývá Fermiho plyn . Mnoho kovů má elektronové a děrované pásy. V některých jsou většinou nosiče díry.
  • V elektrolytech , jako je slaná voda , jsou nosiči náboje ionty , což jsou atomy nebo molekuly, které získaly nebo ztratily elektrony, takže jsou elektricky nabité. Atomy, které získaly elektrony, takže jsou záporně nabité, se nazývají anionty , atomy, které ztratily elektrony, takže jsou kladně nabité, se nazývají kationty . Kationty a anionty disociované kapaliny slouží také jako nosiče náboje v roztavených iontových pevných látkách ( příklad elektrolýzy roztavené iontové pevné látky viz například Hall – Héroultův proces ). Protonové vodiče jsou elektrolytické vodiče využívající kladné vodíkové ionty jako nosiče.
  • V plazmě elektricky nabitý plyn, který se nachází v elektrických obloucích vzduchem, neonovými značkami a sluncem a hvězdami, působí elektrony a kationy ionizovaného plynu jako nosiče náboje.
  • Ve vakuu mohou volné elektrony působit jako nosiče náboje. V elektronické součástce známé jako vakuová trubice (nazývaná také ventil ) je mobilní elektronový mrak generován zahřátou kovovou katodou , procesem nazývaným termionická emise . Když je elektrické pole aplikováno dostatečně silné, aby vtáhlo elektrony do paprsku, lze to označit jako katodový paprsek a je základem displeje katodové trubice široce používaného v televizorech a počítačových monitorech až do roku 2000.
  • V polovodičích , což jsou materiály používané k výrobě elektronických součástek, jako jsou tranzistory a integrované obvody , jsou možné dva typy nosiče náboje. V polovodičích typu p se „ účinné částice “ známé jako elektronové díry s kladným nábojem pohybují skrz krystalovou mřížku a vytvářejí elektrický proud. „Díry“ jsou ve skutečnosti prázdná místa elektronů ve valenčním pásmu elektronové populace polovodiče a jsou považována za nosiče náboje, protože jsou mobilní a pohybují se od místa atomu k místu atomu. V polovodičích typu n se elektrony ve vodivém pásmu pohybují skrz krystal, což vede k elektrickému proudu.

V některých vodičích, jako jsou iontové roztoky a plazma, koexistují nosiče pozitivního a negativního náboje, takže v těchto případech elektrický proud sestává ze dvou typů nosiče pohybujících se v opačných směrech. V jiných vodičích, jako jsou kovy, existují pouze nosiče náboje jedné polarity, takže elektrický proud v nich jednoduše sestává z nosičů náboje pohybujících se jedním směrem.

V polovodičích

V polovodičích existují dva rozpoznané typy nosičů náboje . Jedním z nich jsou elektrony , které nesou negativní elektrický náboj . Kromě toho je vhodné považovat putující volná místa ve valenčním pásmu elektronové populace ( díry ) za druhý typ nosiče náboje, který nese kladný náboj stejné velikosti jako elektron.

Generování nosičů a rekombinace

Hlavní článek: Generování nosičů a rekombinace

Když se elektron setká s dírou, rekombinují se a tyto volné nosiče účinně zmizí. Uvolněná energie může být buď tepelná, zahřívání polovodiče ( tepelná rekombinace , jeden ze zdrojů odpadního tepla v polovodičích), nebo uvolněná jako fotony ( optická rekombinace používaná v LED a polovodičových laserech ). Rekombinace znamená, že elektron, který byl excitován z valenčního pásma do vodivého pásma, spadne zpět do prázdného stavu ve valenčním pásu, známém jako otvory. Otvory jsou prázdné stavy vytvořené ve valenčním pásmu, když se elektron nadchne po získání energie, aby prošel energetickou mezerou.

Většina a menšinoví dopravci

Hojnější nosiče náboje se nazývají většinové nosiče , které jsou primárně odpovědné za současný transport v kusu polovodiče. V polovodičích typu n jsou to elektrony, zatímco v polovodičích typu p jsou to díry. Méně hojní přepravci poplatků se nazývají menšinoví dopravci ; v polovodičích typu n jsou to díry, zatímco v polovodičích typu p jsou to elektrony.

Ve vnitřním polovodiči , který neobsahuje žádné nečistoty, jsou koncentrace obou typů nosičů ideálně stejné. Pokud je vnitřní polovodič dotován donorovou nečistotou, pak jsou většinovými nosiči elektrony. Pokud je polovodič dotován akceptorovou nečistotou, pak jsou většinové nosiče díry.

Menšinové nosiče hrají důležitou roli v bipolárních tranzistorech a solárních článcích . Jejich role v tranzistorech s efektem pole (FET) je trochu složitější: například MOSFET má oblasti typu p a typu n. Tranzistorová akce zahrnuje většinové nosiče zdrojových a odtokových oblastí, ale tyto nosiče procházejí tělem opačného typu, kde jsou nositeli menšin. Traverzující nosiče však v převáděcí oblasti výrazně převyšují jejich opačný typ (ve skutečnosti jsou opačné typy nosičů odstraněny aplikovaným elektrickým polem, které vytváří inverzní vrstvu ), takže je konvenčně přijato označení zdroje a odtoku pro nosiče a FET se nazývají zařízení „většinového dopravce“.

Koncentrace volného nosiče

Hlavní článek: Hustota nosiče náboje

Koncentrace volného nosiče je koncentrace volných nosičů v dopovaném polovodiči . Je to podobné jako koncentrace nosiče v kovu a pro účely výpočtu proudů nebo rychlostí driftu lze použít stejným způsobem. Volné nosiče jsou elektrony (nebo díry ), které byly zavedeny přímo do vodivého pásma (nebo valenčního pásma ) dopingem a nejsou tepelně podporovány. Z tohoto důvodu elektrony (díry) nebudou působit jako dvojité nosiče tím, že zanechají díry (elektrony) v druhém pásmu. Jinými slovy, nosiči náboje jsou částice / elektrony, které se mohou volně pohybovat (nést náboj).

Viz také

Reference

  1. ^ Dharan, Gokul; Stenhouse, Kailyn; Donev, Jason (11. května 2018). "Energetické vzdělávání - přepravce poplatků" . Citováno 30. dubna 2021 .
  2. ^ „Charge carrier“ . Velká sovětská encyklopedie, 3. vydání. (1970-1979) .
  3. ^ Nave, R. „Mikroskopický pohled na elektrický proud“ . Citováno 30. dubna 2021 .
  4. ^ Nave, R. „Vodiče a izolátory“ . Citováno 30. dubna 2021 .
  5. ^ Fitzpatrick, Richard (2. února 2002). "Vodivé elektrony v kovu" . Citováno 30. dubna 2021 .
  6. ^ a b „Vodiče-Izolátory-Polovodiče“ . Citováno 30. dubna 2021 .
  7. ^ Steward, Karen (15. srpna 2019). "Kation vs Anion: Definice, graf a periodická tabulka" . Citováno 30. dubna 2021 .
  8. ^ Ramesh Suvvada (1996). „Přednáška 12: Protonové vedení, stechiometrie“ . University of Illinois v Urbana – Champaign . Citováno 30. dubna 2021 .
  9. ^ Souček, Pavel (24. října 2011). „Plazmová vodivost a difúze“ (PDF) . Citováno 30. dubna 2021 .
  10. ^ Alba, Michael (19. ledna 2018). „Vakuové trubice: svět před tranzistory“ . Citováno 30. dubna 2020 .
  11. ^ "Katodové paprsky | Úvod do chemie" . Citováno 30. dubna 2021 .
  12. ^ Nave, R. „Vnitřní polovodiče“ . Citováno 1. května 2021 .
  13. ^ Van Zeghbroeck, B. (2011). "Rekombinace a generace nosných" . Citováno 1. května 2021 .
  14. ^ del Alamo, Jesús (12. února 2007). „Přednáška 4 - Generování a rekombinace nosičů“ (PDF) . MIT Open CoursWare, Massachusetts Institute of Technology. p. 3 . Citováno 2. května 2021 .
  15. ^ „Většinové a menšinové nosiče poplatků“ . Citováno 2. května 2021 .
  16. ^ Nave, R. „Dopované polovodiče“ . Citováno 1. května 2021 .
  17. ^ Smith, JS „Přednáška 21: BJT“ (PDF) . Citováno 2. května 2021 .
  18. ^ Tulbure, Dan (22 února 2007). "Zpět k základům výkonových MOSFETů" . EE Times . Citováno 2. května 2021 .
  19. ^ Van Zeghbroeck, B. (2011). "Hustoty nosiče" . Citováno 1. května 2021 .