Ηλεκτρόνια αγωγιμότητας

Παρόμοια με την έννοια των ελεύθερων ηλεκτρονίων, είναι επίσης σημαντικό να καλύψουμε το θέμα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας με παρόμοια λεπτομέρεια. Αν και παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά στην περίπτωση των ημιαγωγών και των μεταλλικών στερεών, έχουν την ίδια σημασία με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια λόγω της διαφοράς στις στατιστικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των συγκεντρώσεών τους σε ένα δεδομένο στερεό υλικό. Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσουμε το θέμα των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας με μεγάλη λεπτομέρεια, ενώ θα εξετάσουμε τις πιο σημαντικές έννοιες που σχετίζονται με αυτό. Αλλά προτού προχωρήσουμε, ας μάθουμε πρώτα τι είναι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας και τη θεμελιώδη σημασία τους.

Τι είναι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας;

Τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας αναφέρονται ως το ηλεκτρόνιο που υπάρχει σε μεταλλικά στερεά και ημιαγωγούς που είναι μερικώς γεμάτα με ενεργειακές ζώνες. Δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας των ημιαγωγών και άλλων παρόμοιων υλικών σε μικρή έως καθόλου θερμοκρασία. Ωστόσο, είναι πιθανό να εμφανιστούν με ελαφρά αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό οφείλεται στη δύναμη του φωτισμού και στην προσθήκη ακαθαρσιών κάτω από εξωτερικές επιρροές.

Υπάρχει πάντα ένα ορισμένο επίπεδο και συγκέντρωση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στην περίπτωση των μεταλλικών στερεών. Αυτό γίνεται ακόμη πιο συχνό όταν η δεδομένη συγκέντρωση είναι υψηλή. Σε τέτοιες περιπτώσεις, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε μεταλλικά στερεά συνήθως καταλαμβάνουν όλες τις πιθανές καταστάσεις με μικρότερες ενέργειες. Είναι εύκολο να τα ερμηνεύσουμε χρησιμοποιώντας τις έννοιες της συχνότητας των συγκρούσεων.

Ωστόσο, τα πράγματα είναι διαφορετικά στην περίπτωση των ημιαγωγών. Το αέριο ερμηνεύεται καλά με μια συμβατική στατιστική μέθοδο όπου η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας είναι σχετικά μικρότερη. Στην περίπτωση των μεταλλικών στερεών, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας βρίσκονται με τη μορφή ενός εκφυλισμένου υγρού, κοινώς γνωστού ως υγρού Fermi.

Επομένως, η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στην περίπτωση ημιαγωγών και μεταλλικών στερεών είναι εντελώς διαφορετική μεταξύ τους.

Διαφορά μεταξύ ηλεκτρονίων αγωγιμότητας και ελεύθερων ηλεκτρονίων

Η εφαρμογή ελεύθερων ηλεκτρονίων εξαρτάται από τις δεδομένες συνθήκες. Δεν κουράζονται από κανένα αντικείμενο ή μόριο και μετατοπίζονται από το ένα μέρος στο άλλο λόγω της ασφάλισης του δεδομένου ηλεκτρικού πεδίου.

Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας πηδούν από τις τροχιές του ενός ατόμου στο άλλο, αλλά παραμένουν προσκολλημένα στον αγωγό. Δεν είναι σταθερά συνδεδεμένα με καμία ομάδα ατόμων ή μορίων.

Ωστόσο, αυτή η τυχαία κίνηση από ηλεκτρόνια αγωγιμότητας συνήθως παίρνει μια κατεύθυνση σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό μας δίνει μια ιδέα για την καθαρή κίνηση των φορτίων στη διατομή ενός ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως, θα ήταν σωστό να συμπεράνουμε ότι τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας παραμένουν πάντα τα ίδια χωρίς να αυξάνουν ή να μειώνουν τη συγκέντρωση φορτίων ή ηλεκτρονίων.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι συνήθως κολλημένα σε μεταλλικά στερεά επειδή δεν διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να διεγείρονται από αυτά. Έτσι, χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να το κάνουν, το οποίο συχνά αναγνωρίζεται ως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε μεταλλικά στερεά

Στην περίπτωση των μεταλλικών στερεών, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας δεν περιορίζονται σε συγκεκριμένα άτομα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν είναι εντοπισμένα. Από την άλλη πλευρά, κάθε άτομο συμβάλλει στην κατασκευή ενός μόνο τέτοιου ηλεκτρονίου στην περίπτωση των συμβατικών μετάλλων.

Σε τέτοιες περιπτώσεις, είναι δυνατό να παραμεληθούν τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας και η αμοιβαία αλληλεπίδραση που μοιράζονται στην πρώτη κιόλας προσέγγιση. Είναι επειδή τα περισσότερα σταθερά αντικείμενα προστατεύουν αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας αντιμετωπίζονται ως ιδανικό αέριο.

Η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στα μεταλλικά στερεά είναι πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση άλλων κατηγοριών σωματιδίων σε οποιοδήποτε δεδομένο συμβατικό αέριο. Επομένως, δεν είναι πάντα δυνατή η χρήση συμβατικών στατιστικών κανόνων για την ανάλυση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας. Στην πραγματικότητα, πολλές άλλες στατιστικές μέθοδοι, όπως η στατιστική Fermi Dirac, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στα μέταλλα.

Συμπέρασμα

Τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας είναι το σύνολο των τροχιακών ηλεκτρονίων που υπάρχουν γενικά στα εξωτερικά κελύφη του ατόμου. Μπορεί να είναι είτε ημιαγωγός είτε αγωγός.

Αν και η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας διαφέρει ανάλογα με το υλικό, διαφέρουν πολύ από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και άλλες παρόμοιες κατηγορίες ηλεκτρονίων. Παίζουν σημαντικό ρόλο καθώς μελετάμε τη σημασία τους σε σχέση με τα ηλεκτρικά πεδία.