Электрический ток в металлах и полупроводниках

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. электроны, слабо связанные с ионами кристалличе­ской решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах осно­вывается на электронной теории проводи­мости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863—1906) и разрабо­танной впоследствии нидерландским фи­зиком X. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Первый из таких опытов — опыт Рикке(1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндров (Сu, Аl, Сu) одинакового ради­уса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения (»3,5·10⁶ Кл), ни­каких, даже микроскопических, следов пе­реноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательст­вом того, что ионы в металлах не участву­ют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется части­цами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. английским физиком Д. Томсоном (1856—1940) электроны. Для доказательства этого предполо­жения необходимо было определить знак и величину удельного заряда но­сителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов за­ключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы дол­жны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно опреде­лить знак носителей тока, а зная размеры и сопротивление проводника, можно вы­числить удельный заряд носителей. Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат советским физи­кам С. Л. Мандельштаму (1879—1944) и Н. Д. Папалекси (1880—1947). Эти опыты в 1916 г. были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881 —1948) и ранее шотландским физиком Б. Стюартом (1828—1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах заряжены отрицательно, а их удельный заряд приблизительно оди­наков для всех исследованных металлов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было оконча­тельно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свобод­ные электроны.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристалличе­ской решетки металла (в результате сбли­жения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от ато­мов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решет­ки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между элек­тронным газом и решеткой. По теории Друде — Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и мо­лекулы одноатомного газа. Поэтому, при­меняя выводы молекулярно-кинетической теории, можно найти среднюю скорость теплового движения электронов

которая для T=300 К равна 1,1·10⁵ м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возник­новению тока.

При наложении внешнего электриче­ского поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Сред­нюю скорость <v> упорядоченного движе­ния электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока: j = ne<v>. Выбрав допустимую плотность тока, например для медных проводов 10⁷ А/м², получим, что при концентрации носителей тока n =8·10²⁸ м^-3 средняя скорость <v> упорядоченного движения электронов равна 7,8·10^-4 м/с. Следова­тельно, <v> << <u>, т. е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электро­нов, обусловливающего электрический ток, значительно меньше их скорости теплово­го движения.

Казалось бы, полученный результат противоречит факту практически мгновен­ной передачи электрических сигналов на большие расстояния. Дело в том, что замыкание электрической цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью с (с =3·10⁸ м/с). Через время t=l/c (l — длина цепи) вдоль цепи установится стационарное электри­ческое поле и в ней начнется упорядо­ченное движение электронов. Поэтому электрический ток возникает в цепи практически одновременно с ее замыка­нием.

1. Закон Ома. Пусть в металлическом проводнике существует электрическое по­ле напряженностью Е= const. Co стороны поля на заряд е действует сила, в результате чего он приобретает ускорение. Таким образом, во время сво­бодного пробега электроны движутся равноускоренно.

Согласно теории Друде, в конце сво­бодного пробега электрон, сталкиваясь с ионами решетки, отдает им накопленную в поле энергию, поэтому скорость его упо­рядоченного движения становится равной нулю. Следовательно, плотность тока в металлическом провод­нике равна:

откуда видно, что плотность тока пропор­циональна напряженности поля, т. е. получили закон Ома в дифференци­альной форме. Коэффициент пропорциональности между j и Е есть не что иное, как удельная проводимость ма­териала

которая тем больше, чем больше концен­трация свободных электронов и средняя длина их свободного пробега.

2. Закон Джоуля — Ленца. К концу свободного пробега электрон под действи­ем поля приобретает дополнительную ки­нетическую энергию.

При соударении электрона с ионом эта энергия полностью передается решетке и идет на увеличение внутренней энергии металла, т. е. на его нагревание.

Энергия, переда­ваемая решетке в единице объема проводника за единицу времени равна

Величина w называется удельной тепловой мощностью тока. Коэффициент пропорциональности между w и Е ²есть удельная проводимость g; сле­довательно, полученное выражение — закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.