電傳導

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電傳導electrical conduction)是指介質內,載電荷的粒子的運動。稱這些粒子為電荷載子。它們的運動形成了電流。這運動可能是因為感受到電場的作用而產生的,或是因為載子分佈的不均勻引發的擴散機制的結果。對於不同的物質,電荷傳輸的物理參數也不同。

歐姆定律明確地描述了金屬電阻器的電傳導。歐姆定律闡明,電流與外加的電場成正比,在一個物質內,由於外加的電場 \mathbf{E}\,\! 而產生的電流密度 \mathbf{J}\,\! ,可以用方程式表達為

\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E}\,\!

其中,\sigma\,\! 是物質的電導率

或者,

\mathbf{E} =\rho \mathbf{J}\,\!

其中,\rho\,\! 是物質的電阻,是 \sigma\,\!倒數

半導體元件裏,電傳導是由電場作用和擴散這兩種物理機制共同引發的。因此,電流密度可以表達為

\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E}+D\boldsymbol{\nabla}(qn)\,\!

其中,D\,\! 是擴散常數,q\,\!電荷量n\,\! 是電子的體積密度。

由於電子的電荷量是負值,載子是朝著電子密度遞減的方向移動。因此,對於電子,假若電子密度的梯度是正值,則電流是負值;假若載子是電洞,則必須將電子密度 n\,\! 改換為電洞密度 p\,\! 的負值:

\mathbf{J} =\sigma \mathbf{E} - D\boldsymbol{\nabla}(qp)\,\!

對於線性異向性物質,\sigma\,\!\rho\,\!D\,\! ,都是張量

經典概念[编辑]

德鲁德模型中的电子(蓝色)不断在较重的、静止的晶体离子中间(红色)撞來撞去。

設想外電場 \mathbf{E}\,\! 作用於某物體。在這物體內,電荷量為 q\,\! 的自由電子,感受到電場力 \mathbf{F}=q\mathbf{E}\,\! ,會呈現加速運動

沒有任何障礙阻止這運動,自由電子的速度會變的越來越大。然而,每經過一段時間 t\,\! ,自由電子會碰撞到其它原子的阻礙,使其速度回歸為熱速度 (thermal velocity) 。這樣,自由電子的運動會呈現不斷的加速與碰撞。每一次碰撞,累積的動量 \mathbf{P}\,\! 平均為

\langle\mathbf{p}\rangle = q \mathbf{E} t

其中,角括弧代表平均程序。

所以,電流密度 \mathbf{J}\,\!

\mathbf{J}=nq\langle\mathbf{v}\rangle=nq\langle\mathbf{p}\rangle/m=\left( \frac{n q^2 t}{m} \right) \mathbf{E}\,\!

其中,n\,\! 是電子密度,\mathbf{v}\,\! 是自由電子的平均速度,m\,\! 是電子質量。

這經典模型是由保羅·德鲁德於 1900 年提出,稱為德鲁德模型。從這模型得到了一個重要結果:電流密度與電場成正比,比例是物質的電導率 \sigma\,\![1] [2]

電解質[编辑]

電解液裏的電流是載有電荷的離子流。例如,施加電場於 Na+Cl 的溶液。那麼,鈉離子會不斷地移向負極;而氯離子會往正極移動。在正常狀況下,氧化還原反應會發生於電極表面,將氯離子的電子釋放出來,經過導線傳輸到另外一端,讓電子被鈉離子吸收。

水-冰混和物和某些稱為質子導體 (proton conductor) 的固態電解質,含有可移動的正價氫離子。對於這些物質,電流是由移動的質子形成的。

在某些電解質混合物裏,一群鮮豔著色的離子形成了移動的電荷。這些離子的緩慢移動所形成的電流,可以用人眼直接地觀察到。

氣體和電漿[编辑]

對於空氣和一些普通氣體,在場崩潰 (breakdown field) 限度內,電傳導的主要電荷載子是,由放射性氣體紫外光,和宇宙射線造成的相當少數量的可移動離子。由於電導率非常低,氣體是電介質絕緣質。但是,一當施加的外電場接近崩潰值時,由於電場力的作用,自由電子呈加速運動,動能變得相當大,足夠以碰撞機制來製造更多的自由電子,或用雪崩效應的機制將中性氣態原子或中子電離。這程序形成了電漿,含有很多的可移動的電子和正離子,使電漿的物理行為變得就像一個導體。這程序的傳導路徑上,會有光波發射出來,像電光 (spark) 、電弧閃電等等。

電漿態是一種物質態。當氣體的分子或原子的一些電子被電離時,稱此狀態的物質為電漿。非常高的溫度,或強大的電場或磁場的作用,會產生電漿。由於電子的質量很小,當施加電場時,電漿的電子會比很重的正離子更快加速。大部分的電流是由電子形組成的。

真空[编辑]

由於在理想真空 (perfect vacuum) 內,沒有任何帶電粒子,這種真空就好像理想絕緣體(應該算是目前所知最棒的絕緣體了)但是,通過場致電子發射 (field electron emission) 或熱離子發射 (thermionic emission) 的機制,金屬的電極表面會發射自由電子離子於真空,因而使得真空內的一部分區域變得具有傳導性。當熱能超過金屬的功函數時,就會產生熱離子發射,金屬會發射出熱離子。當金屬表面的電場有足夠的強度來引發量子穿隧效應時,就會出現場致電子發射,促使金屬原子射出電子於真空。

參閱[编辑]


參考文獻[编辑]

  1. ^ Neil W. Ashcroft; N. David Mermin. Solid State Physics. Saunders College. 1976: 6–7. ISBN 0-03-083993-9. 
  2. ^ Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Prentice Hall. 1998: pp. 289. ISBN 0-13-805326-X.