Какая частица является носителем положительного заряда

Носитель заряда — Charge carrier

В физике носитель заряда — это частица или квазичастица, которая может свободно перемещаться, несущая электрический заряд, особенно частицы, которые несут электрические заряды в электрических проводниках. Примерами являются электроны, ионы и дырки. В проводящей среде электрическое поле может воздействовать на эти свободные частицы силой, вызывая результирующее движение частиц через среду; это то, что составляет электрический ток. В проводящей среде частицы служат для переноса заряда:

Во многих металлах носителями заряда являются электроны. Один или два из валентных электронов от каждого атома могут свободно перемещаться внутри кристаллической структуры металла. Свободные электроны называются электронами проводимости, а облако свободных электронов называется ферми-газом. Многие металлы имеют электронные и дырочные зоны. В некоторых случаях основными носителями являются дырки.
В электролитах, таких как соленая вода, носителями заряда являются ионы, которые являются атомами или молекулы, которые приобрели или потеряли электроны, поэтому они электрически заряжены. Атомы, получившие электроны и получившие отрицательный заряд, называются анионами, атомы, потерявшие электроны и получившие положительный заряд, называются катионами. 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 проводники — это электролитические проводники, использующие в качестве носителей положительные ионы водорода.
В плазме электрически заряженный газ, который содержится в электрических дугах через воздух, неоновые вывески, солнце и звезды, электроны и катионы ионизированного газа действуют как носители заряда.
В вакууме могут действовать свободные электроны. как носители заряда. В электронном компоненте, известном как вакуумная трубка (также называемая клапаном), мобильное электронное облако генерируется нагретым металлическим катодом с помощью процесса, называемого термоэлектронной эмиссии. Когда электрическое поле прикладывается достаточно сильным, чтобы втягивать электроны в пучок, это может называться катодным лучом и является основой широко используемых дисплеев электронно-лучевой трубки. в телевизорах и компьютерных мониторах до 2000-х.
В полупроводниках, которые используются для изготовления электронных компонентов, таких как транзисторы и интегральные схемы, ведут себя так, как если бы «эффективные частицы », известные как электронные дырки с положительным зарядом, движутся через них, вызывая электрические свойства. «Дырки» ведут себя как бегущие вакансии в населенном пункте электронов валентной зоны полупроводника и рассматриваются как носители заряда. Электроны и дырки являются носителями заряда в полупроводниках.

Можно видеть, что в некоторых проводниках, таких как ионные растворы и плазма, есть положительные и отрицательные носители заряда, поэтому электрический ток в них состоит из двух полярностей носителей движется 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.

1 В полупроводниках
- 1.1 Генерация и рекомбинация носителей
- 1.2 Основные и неосновные носители
- 1.3 Концентрация свободных носителей
В полупроводниках

В полупроводниках есть два признанных типа носителей заряда. Один — это электроны, которые несут отрицательный электрический заряд. Кроме того, бегущие вакансии в валентной зоне электронной заселенности (дырки ) удобно рассматривать как второй тип носителей заряда, которые несут положительный заряд, равный по величине электрона.

Генерация и рекомбинация носителей

Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. Выделяемая энергия может быть либо тепловой, нагревая полупроводник (тепловая рекомбинация, один из источников отходящего тепла в полупроводниках), либо выделяться в виде фотонов (оптическая рекомбинация, используется в светодиоды и полупроводниковые лазеры ). 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 пустое состояние, создаваемое в валентной зоне, когда электрон возбуждается после получения некоторой энергии, чтобы преодолеть запрещенную зону.

Основные и неосновные носители

Более распространенные носители заряда называются основными носителями, которые в первую очередь ответственны за перенос тока в части полупроводника.. В полупроводниках n-типа они являются электронами, тогда как в полупроводниках p-типа они являются дырками. Менее распространенные носители заряда называются неосновными носителями ; в полупроводниках n-типа они являются дырками, а в полупроводниках p-типа — электронами.

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.

Меньшие носители играют важную роль в биполярных транзисторах и солнечных элементах. Их роль в полевых транзисторах (FET) немного сложнее: например, MOSFET имеет области p-типа и n-типа. В действие транзистора вовлекаются основные носители областей истока и стока, но эти носители проходят через тело противоположного типа, где они являются неосновными носителями. Тем не менее, пересекающих носителей намного больше, чем их противоположного типа в области переноса (фактически, носители противоположного типа удаляются приложенным электрическим полем, которое создает инверсионный слой ), поэтому условно обозначение истока и стока для носители приняты, и полевые транзисторы называют устройствами «основной несущей».

Концентрация свободных носителей

Концентрация свободных носителей — это концентрация свободных носителей в легированном полупроводнике. Он похож на концентрацию носителей в металле и может использоваться для расчета токов или скоростей дрейфа таким же образом. Свободные носители представляют собой 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).

См. Также
- Срок службы носителя
- Цветной заряд
- Молекулярная диффузия
Носители электрического тока

Носители электрического тока — это заряженные частицы или квазичастицы, которые могут свободно перемещаться внутри проводников и создавать электрический ток. Носителями электрического заряда могут являться:
- в металлах — электроны,
- в электролитах — ионы (катионы и анионы),
- в газах — ионы и электроны,
- в вакууме при определённых условиях — электроны,
- в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость).
Электричество в наши дни принято определять как «электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля». Само существование электрических зарядов обнаруживается через их силовое воздействие на другие заряды. Пространство вокруг всякого заряда обладает особыми свойствами: в нем действуют электрические силы, проявляющиеся при внесении в это пространство других зарядов. Такое пространство является силовым электрическим полем.

Пока заряды неподвижны, пространство между ними обладает свойствами электрического (электростатического) поля. Но когда заряды движутся, то вокруг них возникает также магнитное поле. Мы рассматриваем порознь свойства электрического и магнитного полей, но в действительности электрические процессы всегда связаны с существованием электромагнитного поля.

Мельчайшие электрические заряды входят как составные части в атом. Атом есть наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Атом является весьма сложной системой. Его масса в большей своей части сосредоточена в ядре. Вокруг последнего по определенным орбитам обращаются электрически заряженные элементарные частицы — электроны.

Силы тяготения удерживают на орбитах планеты, обращающиеся вокруг солнца, а электроны притягиваются к ядру атома электрическими силами. Из опыта известно, что взаимно притягиваются лишь разноименные заряды. Следовательно, заряды ядра атома и электронов должны быть различными по знаку. По историческим причинам принято считать заряд ядра положительным, а заряды электронов — отрицательными.

Многочисленные опыты показали, что электроны атомов любых элементов обладают одинаковым электрическим зарядом и одинаковой массой. Вместе с тем заряд электрона является элементарным, т. е. наименьшим возможным электрическим зарядом.

Принято различать электроны, находящиеся на внутренних орбитах атома и на внешних орбитах. Внутренние электроны относительно прочно удерживаются на своих орбитах внутриатомными силами. Но внешние электроны относительно легко могут отделяться от атома и оставаться некоторое время свободными или присоединяться к другому атому. Химические и электрические свойства атома определяются электронами его внешних орбит.

Открытие электрона — это одно из величайших достижений физики XIX века. Электрон был открыт английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году, когда он изучал катодные лучи в вакуумной трубке.

Он показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, которые он назвал “корпускулами”, а позже они получили название “электроны”. Он также измерил отношение заряда к массе электрона и предложил модель атома, в которой электроны распределены в положительно заряженной сфере.

Томсон объявил о своем открытии на заседании Лондонского королевского общества 29 апреля 1897 года. За свои исследования он получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году.

Открытие электрона стало первым шагом к пониманию структуры атома и субатомных частиц. Электрон является одной из основных элементарных частиц, которые составляют материю, и имеет многочисленные приложения в науке и технике.

Величина положительного заряда ядра атома определяет принадлежность атома к определенному химическому элементу. Атом (или молекула) электрически нейтральны, пока сумма отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду ядра. Но атом, потерявший один или несколько электронов, оказывается заряженным положительно вследствие избытка положительного заряда ядра. Он может перемещаться под действием электрических сил (притягиваться или отталкиваться). Такой атом является положительным ионом. Атом, захвативший излишние электроны, становится отрицательным ионом.

Носителем положительного заряда в ядре атома является протон. Это элементарная частица, служащая ядром атома водорода. Положительный заряд протона численно равен отрицательному заряду электрона, но масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Ядра атомов, кроме протонов, содержат также нейтроны — частицы, не обладающие электрическим зарядом. Масса нейтрона в 1838 раз больше массы электрона.

Таким образом, из трех элементарных частиц, образующих атомы, электрическими зарядами обладают только электрон и протон. Но из них лишь заряженные отрицательно электроны могут легко перемещаться внутри вещества, а положительные заряды в обычных условиях могут перемещаться лишь в виде тяжелых ионов, т. е. перенося атомы вещества.

Упорядоченное движение электрических зарядов, т. е движение, имеющее преобладающее направление в пространстве, образует электрический ток. Частицами, движение которых создает электрический ток, — носителями тока в большинстве случаев являются электроны и значительно реже — ионы.

Допуская некоторую неточность, можно определять ток как направленное движение электрических зарядов. Носители тока могут более или менее свободно перемещаться в веществе.

Проводниками называются вещества, относительно хорошо проводящие ток. К числу проводников принадлежат все металлы, в особенности хорошими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

Проводимость металлов объясняется тем, что в них часть внешних электронов отщепляется от атомов. Положительные опыты, образовавшиеся вследствие потери этих электронов, связаны в кристаллическую решетку — твердый (ионный) скелет, в промежутках которого находятся свободные электроны в форме своего рода электронного газа.

Малейшее внешнее электрическое поле создает в металле ток, т. е. вынуждает свободные электроны перемешаться в направлении действующих на них электрических сил. Для металлов характерно уменьшение проводимости с увеличением температуры.

Полупроводники проводят электрический ток значительно хуже, чем проводники. К числу полупроводников принадлежит очень большое число веществ, и свойства их весьма разнообразны. Характерным для полупроводников является электронная проводимость (т, е. ток в них создается, как и в металлах, направленным перемещением свободных электронов — не ионов) и, в отличие от металлов, увеличение проводимости при повышении температуры. Вообще для полупроводников характерна также сильная зависимость их проводимости от внешних воздействий — облучения, давления и т. п.

Диэлектрики (изоляторы) практически не проводят ток. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию атомов, молекул или ионов диэлектриков, т. е. смещение под действием внешнего поля упруго связанных зарядок, входящих в состав атома или молекулы диэлектрика. Количество свободных электронов в диэлектриках очень мало.

Нельзя указать жесткие границы между проводниками, полупроводниками и диэлектриками. В электротехнических устройствах проводники служат путем для перемещения электрических зарядов, а диэлектрики нужны, чтобы направить должным образом это движение.

Электрический ток создается вследствие воздействия на заряды сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Они создают в проводнике электрическое поле, которое вынуждает положительные заряды перемещаться по направлению действия сил поля, а отрицательные заряды — электроны — в противоположном направлении.

Полезно уточнить представление о поступательном движении электронов в металлах. Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения в пространстве между атомами, под обратном тепловому движению молекул. Тепловое состояние тела обусловливается столкновениями молекул друг с другом и столкновениями электронов с молекулами.

Электрон сталкивается с молекулами и меняет направление своего движения, но постепенно все же продвигается вперед, описывая очень сложную кривую. Длительное перемещение заряженных частиц в одном определенном направлении, налагающееся на их беспорядочное движение в разных направлениях, называется их дрейфом. Таким образом, электрический ток в металлах, по современным воззрениям, является дрейфом заряженных частиц.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

III. Основы электродинамики

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

.

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются

Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Носитель заряда

Носители заряда — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока.

Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы-носителя заряда является дырка.

Чаще всего термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела и физике полупроводников.

Носители заряда в полупроводниках

В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника. Те носители, концентрация которых выше, называют основными носителями заряда, а носители другого типа — неосновными.

Если концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок, то такой полупроводник называют полупроводником n-типа проводимости. В этом случае основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями — дырки.

Соответственно, если концентрация дырок выше, чем электронов, то полупроводник называют полупроводником p-типа. В нем основными носителями являются дырки, а неосновными носителями — электроны.

Концентрация равновесных носителей заряда в полупроводнике определяется только температурой образца и концентрацией легирующих примесей. Под действием внешних воздействий (инжекция, облучение образца светом, ионизирующими частицами или ионизирующим излучением) в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда, и полная концентрация носителей заряда увеличивается.

Wikimedia Foundation . 2010 .
- Носитель данных
- Носители компьютерной информации
Похожие публикации: