Elektriske ledere og isolatorer

I metaller som leder elektrisitet har valenselektronene så mye energi at de kan bevege seg fritt i konduksjonsbåndet.

Får elektronet nok energi kan det bevege seg fra valensbådet (normalt grunnviå) opp i konduksjonsbåndet. Evnen til å endre energinivå avhengerav den termiske energien til elektronet 2/3kT. Hvis denne energien er ca. lik den termiske energien har vi en halvleder (< 4 kJ mol-1) hvor elektronet noen ganger er i valensbåndet og noen ganger i konduksjonsbåndet. Hvor mange elektroner som finnes i konduksjonsbåndet kan finnes ut fra Boltzmanns energifordeling:

\(\displaystyle N_{\text{konduksjonsbånd}}= N_0 e^{-\frac{E}{kT}}\)

hvor N0 er antall valenselektroner og E er energiforskjellen mellom grunnivå og

konduksjonsbånd. Hvis det er forurensinger i mineralet, vanligvis silisium (Si), som gir

elektroner har vi en n-halvleder. Hvis forurensningene er en elektronakseptor har vi

en p-halvleder. Grunnstoffene til høyre for den vertikale raden med Si vil være

elektrondonorer for eksempel arsen (As):

 As → As+ + e-

og de til venstre vil være elektronakseptorer for eksempel gallium (Ga) som blir brukt i halvledere og lysemiterende dioder (LED).

Ga + e- →  Ga-

Eksitert LED faller tilbake til grunntilstanden og sender ut energi avhengig av båndgapet. Galliumarseniddiode sender ut rødfarget lys.

OLED er organisk polymere halvledere.

William Bradford Shockley (1910-1989), John Bardeen (1908-1991) og Walter Houser Brattain (1902-1987) fikk nobelprisen I fysikk I 1956 «for forskningen på halvledere og oppdagelse av og transistoreffekten».

Generelt forsvinner elektrisk motstand ved det absolutte nullpunkt -273.16oC. Den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) ikk nobelprisen i fysikk i 1913 for studier av hva som skjer nær det absolutte nullpunkt. Han oppdaget superledning i kvikksøvl som ble kjølt ned til  4.2 K og bidro til hvordan man kunne produsere flytende helium. 

John Bardeen fikk også nobelprisen i fysikk i 1972, sammen med Leon N Cooper og John R Schrieffer (1931-2019) «for utvikling av teori for superledning, kalt BCS-teorien.  Et metall i et magnetfelt og som kjøles ned kan bli en superleder (Meissner-effekt, Walther Meissner (1882-1974)).  

Cooper-par er en kvanteeffekt hvor et par elektroner i et metall tiltrekker hverandre og er en tilstand i superledning.  Generelt i et metall er det delokaliserte elektroner som ikke hører fast sammen med atomkjernene i metallgitteret. Elektroner frastøter hverandre, men blir trukket inn mot den posisitvt ladete atomkjernen med protoner. 

Bor i silisium bremser bevegelse til elektroner og bare de tomme plassene forflyttes. Fosfor og silisium gir nye elektroner som fraktes, jfr. n og p halvledere.

Elektroner har en kvantemekanisk beskrivelse i form av bølgelengde og bølgeenergi, elektronet har en dualisme på samme måte som elektromagnetisk stråling og kan betraktes både som bølge og partikkel. Et system søker alltid til laveste energitilstand.

Stoffer som er gode elektriske ledere er også gode varmeledere.

Isolatorer er glass, porselen og polyetylen.

Tilbake til hovedside

Publisert 19. jan. 2021 15:59 - Sist endret 23. jan. 2021 16:47