Ladebærer - Charge carrier

I fysikk er en ladningsbærer en partikkel eller kvasipartikkel som er fri til å bevege seg, og bærer en elektrisk ladning , spesielt partiklene som bærer elektriske ladninger i elektriske ledere . Eksempler er elektroner , ioner og hull . Begrepet brukes oftest i faststoffysikk . I et ledende medium kan et elektrisk felt utøve kraft på disse frie partiklene og forårsake en netto bevegelse av partiklene gjennom mediet; det er dette som utgjør en elektrisk strøm . I ledende medier tjener partikler til å bære ladning:

• I mange metaller er ladningsbærerne elektroner . Én eller to av valenselektronene fra hvert atom er i stand til å bevege seg fritt innenfor krystallstrukturen til metallet. De frie elektronene blir referert til som ledningselektroner , og skyen av frie elektroner kalles en Fermi-gass . Mange metaller har elektron- og hullbånd. I noen er de fleste bærere hull.
• I elektrolytter , for eksempel saltvann , er ladningsbærerne ioner , som er atomer eller molekyler som har fått eller mistet elektroner, slik at de er elektrisk ladede. Atomer som har fått elektroner slik at de er negativt ladede kalles anioner , atomer som har mistet elektroner slik at de er positivt ladede kalles kationer . Kationer og anioner av den dissosierte væsken fungerer også som ladningsbærere i smeltede ioniske faste stoffer (se f.eks. Hall – Héroult-prosessen for et eksempel på elektrolyse av et smeltet ionisk fast stoff). Protonledere er elektrolytiske ledere som bruker positive hydrogenioner som bærere.
• I et plasma , en elektrisk ladet gass som finnes i elektriske buer gjennom luft, neonskilt , og solen og stjernene, fungerer elektronene og kationene til ionisert gass som ladningsbærere.
• I vakuum kan frie elektroner fungere som ladningsbærere. I den elektroniske komponenten er kjent som vakuumrøret (også kalt ventil ), er den mobile elektronskyen som genereres av en oppvarmet metall katode , ved en prosess som kalles thermionic utslipp . Når et elektrisk felt påføres sterkt nok til å trekke elektronene inn i en stråle, kan dette bli referert til som en katodestråle , og er grunnlaget for skjermbildet for katodestråler mye brukt i fjernsyn og dataskjermer frem til 2000-tallet.
• I halvledere , som er materialene som brukes til å lage elektroniske komponenter som transistorer og integrerte kretser , er to typer ladebærer mulig. I p-type halvledere beveger " effektive partikler " kjent som elektronhull med positiv ladning seg gjennom krystallgitteret, og produserer en elektrisk strøm. "Hullene" er i virkeligheten ledige stillinger i valensbåndelektronpopulasjonen til halvlederen og blir behandlet som ladningsbærere fordi de er mobile, og beveger seg fra atomsted til atomsted. I halvledere av n-type beveger elektroner i ledningsbåndet seg gjennom krystallet, noe som resulterer i en elektrisk strøm.

I noen ledere, som ioniske løsninger og plasmaer, eksisterer positive og negative ladningsbærere samtidig, så i disse tilfellene består en elektrisk strøm av de to typer bærere som beveger seg i motsatt retning. I andre ledere, for eksempel metaller, er det bare ladebærere med en polaritet, så en elektrisk strøm i dem består ganske enkelt av ladebærere som beveger seg i en retning.

I halvledere

Det er to anerkjente typer ladebærere i halvledere . Den ene er elektroner som har en negativ elektrisk ladning . I tillegg er det praktisk å behandle de ledige ledige stillingene i valensbåndelektronpopulasjonen ( hull ) som en andre type ladningsbærer, som har en positiv ladning som er lik størrelsen på den til et elektron.

Transportørgenerering og rekombinasjon

Når et elektron møter et hull, rekombinerer de og disse gratis bærerne forsvinner effektivt. Energien som frigjøres kan enten være termisk, varme opp halvlederen ( termisk rekombinasjon , en av kildene til spillvarme i halvledere), eller frigjøres som fotoner ( optisk rekombinasjon , brukt i lysdioder og halvlederlasere ). Rekombinasjonen betyr at et elektron som har blitt eksitert fra valensbåndet til ledningsbåndet faller tilbake til tom tilstand i valensbåndet, kjent som hullene. Hullene er de tomme tilstandene som opprettes i valensbåndet når et elektron blir begeistret etter å ha fått litt energi til å passere energigapet.

Flertalls- og minoritetsbærere

De mer tallrike ladebærerne kalles majoritetsbærere , som primært er ansvarlige for nåværende transport i et stykke halvleder. I halvledere av n-type er de elektroner, mens de i halvledere av p-type er hull. De mindre rike ladningsbærerne kalles minoritetsbærere ; i halvledere av n-type er de hull, mens de i halvledere av p-type er elektroner.

I en egen halvleder , som ikke inneholder urenheter, er konsentrasjonene av begge typer bærere ideelt sett like. Hvis en egen halvleder er dopet med en donor urenhet, er de fleste bærere elektroner. Hvis halvlederen er dopet med en akseptor-urenhet, er de fleste bærere hull.

Minoritetsbærere spiller en viktig rolle i bipolare transistorer og solceller . Deres rolle i felt-effekt transistorer (FETs) er litt mer kompleks: for eksempel har en MOSFET p-type og n-type regioner. Transistorvirkningen involverer de fleste bærere av kilde- og avløpsregionene , men disse bærerne krysser kroppen av motsatt type, der de er minoritetsbærere. Imidlertid overgår de kryssende bærerne enormt sin motsatte type i overføringsområdet (faktisk blir den motsatte typen bærere fjernet av et påført elektrisk felt som skaper et inversjonslag ), så vanlig blir kilde- og avløpsbetegnelsen for bærerne vedtatt, og FETs kalles "majoritetsbærer" -enheter.

Gratis transportørkonsentrasjon

Fri bærerkonsentrasjon er konsentrasjonen av frie bærere i en dopet halvleder . Det ligner bærerkonsentrasjonen i et metall, og for beregning av strøm eller drivhastighet kan det brukes på samme måte. Gratis bærere er elektroner (eller hull ) som har blitt introdusert direkte i ledningsbåndet (eller valensbåndet ) ved doping og fremmes ikke termisk. Av denne grunn fungerer ikke elektroner (hull) som dobbeltbærere ved å etterlate hull (elektroner) i det andre båndet. Ladebærere er med andre ord partikler / elektroner som er fri til å bevege seg (bære ladningen).

Se også

• Transportør levetid
• Molekylær diffusjon

Referanser