ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ У МЕТАЛЕВИХ ПРОВІДНИКАХ

ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ ТА ЇХ ОСНОВНІ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Відповідно до основної класифікації провідники - це матеріали, що мають електричний опір менше 10"³Ом • см.

Основне технічне призначення провідників - комутація, контактування і накопичення зарядів в елементах електронної техніки.

До провідників відносяться всі метали, напівметали типу вуглецю, миш'яку і т.д., а також розчини електролітів. У біомедичній техніці використовуються усі види провідників. Проте, як правило, найчастіше основні функції по переносу електричного заряду виконують метали. Тому в даному розділі цим матеріалам буде приділена основна увага. Такий підхід є обгрунтованим хоча б тому, що біля 80 елементів таблиці Менделєєва відносяться до металів.

При утворенні кристалічної ґратки металу майже кожний атом віддає в загальне, "колективне" користування принаймні по одному електрону. Електронний газ, який створюється при цьому в міжвузельному просторі, має дуже високу концентрацію вільних носіїв заряду (їх кількість близька до кількості атомів в об'ємі речовини). Концентрація вільних носіїв заряду дуже слабко залежить від зовнішніх умов, що, як відзначалося, є принциповою відмінністю металів від напівпровідників. У такій ситуації, коли концентрація носіїв заряду дуже велика, роль їх рухливості в загальній електропровідності, як правило, невисока. ^

В теперішній час теорія електропровідності металів розроблена досить повно. ЇЇ висновки цілком підтверджуються експериментальне тільки з застосуванням у якості основних принципів руху електрона в полі кристалічної ґратки квантово-механічних уявлень. Сучасна теорія припускає, що електрони в металах беруть участь у двох рухах: по-перше, це тепловий, хаотичний рух і, по-друге, це спрямований дрейф носіїв проти напрямку електричного поля. Прості оцінки показують, що швидкість теплового руху на багато більша швидкості дрейфу. Це означає, що електрони при переносі заряду знаходяться практично в термодинамічній рівновазі з остовом кристалічної ґратки, а їх рух відображає лише мале відхилення системи від рівноважного стану. Саме такі уявлення дозволили застосувати до опису руху електрона в металі квантові уявлення теорії збуджень і кількісно описати електропровідність.

Як і у випадку напівпровідників, для опису руху електронів у металах вводиться поняття часу вільного пробігу. Обернена до часу вільного пробігу величина має сенс імовірності розсіювання або ж взаємодії носія з якимось видом неперіодичності поля ґратки. Експерименти показують, що найбільш ефективно електрони в металах взаємодіють із тепловими коливаннями кристалічної ґратки (акустичними фононами), власними дефектами кристалічної ґратки і атомами домішок, що порушують періодичність внутрішньокристалічного поля. Розроблений квантово-механічний підхід дозволив пояснити лінійність температурної залежності електричного опору і аналізувати залежність цього параметра від складу металевих сплавів у виді [1]: р=хр^ +(і-х)ру+ах(\-х), де рд, рд - опір чистого металу, х - вміст основного елементу, що створює сплав, (атомна доля), а - постійна, що характеризує спроможність домішкових атомів розсіювати електрони. Подана залежність часто використовується для оцінки опору сплавів за даними для вихідних компонентів.

В металах перенос тепла, як і заряду, здійснюється електронами. Тому природно ці макропараметри пов'язати між собою. Висловлене розмірковування знайшло відображення в емпіричному законі Відемана-Франца. Відповідно до цього закону співвідношення між питомим електричним опором металу і його теплопровідністю л.у має вид: ^/г=^г, деі, - постійна Лоренца, Т - абсолютна температура, у - електропровідність.

Цей фундаментальний закон накладає обмеження на параметри теплоелементів із металів. Наприклад, для ефективної роботи теплоелементів, заснованих на ефекті Пельтье, необхідні метали з високою електропровідністю і низькою теплопровідністю. Таке сполучення властивостей неможливе. Тому, в якості компонентів термоелементів застосовують напівпровідники, де велика частка фононної компоненти в розсіюванні електронів, і закон Відемана-Франца приймає іншу форму.