Ильченко Л.И.
СУТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЧАСТЬ 2. МИФ О «ДЫРКАХ» И ДЫРОЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ *
Аннотация:
исследуя открытие Э.Холлом передачи электрической энергии заряженными частицами двух противоположных знаков, доказана несостоятельность принятия
Ключевые слова:
эффект Холла, электрический ток, электронный газ, зонная теория, дырочная проводимость, дырки, полупроводники
DOI 10.24412/2712-8849-2023-1269-1168-1179
ВВЕДЕНИЕ. Прошло почти 300 лет с того времени, когда Ш.Ф. Дюфе в 1733 году на основе многочисленных экспериментов сделал вывод, что существуют два вида электричества. Одно электричество возникает при натирании янтаря, воска или шелка, — другое появляется при натирании стекла, горного хрусталя, драгоценных камней, шерсти и др. Поэтому Дюфе назвал первое из них смоляным, а второе – стеклянным электричеством, и если одно тело заряжено стеклянным, а другое смоляным, то они взаимно притягиваются. Естественно, возник вопрос о природе существования двух видов электричества и природе сил притяжения и отталкивания. Когда в конце XVIII — начале XIX вв. появилась возможность получать и изучать постоянный электрический ток, многие считали, что в проводниках электрической цепи текут одновременно два электричества, и называли электрический ток электрическим конфликтом, поскольку эти электричества текут в противоположных направлениях [1].В настоящее время развитие полупроводниковой микроэлектроники, потребности в которой все в большей мере возрастают во всём мире, основывается на противоречивой теоретической базе представлений об электричестве заложенной в конце 19-го начале 20-го века, и потому содержащей и вызывающей в современном прочтении много вопросов. При этом, определенные успехи в создании современных микропроцессоров и компьютерной техники достигнуты не благодаря, а вопреки противоречивым и устаревшим постулатам теории электропроводности Друде-Лоренца (1900 г.) [2].Основные идеи этой гипотезы сохранились и развились в современных научных теориях и могут быть кратко изложены в трех пунктах:1) Носителями электрического тока в проводниках являются "свободные электроны", движение которых определяется законами классической механики.2) Поведение электронов в проводнике принимается подобным поведению молекул идеального газа (электронного газа), подчиняющемуся законам статистики Максвелла–Больцмана (впоследствии замененной на квантовую статистику, что не изменило существа подхода) [2-4].3) При незначительном нагреве некоторое количество электронов, прочно связанных валентно со своими атомами в полупроводниках «возможно перевести в зону проводимости".Друде считал, что электроны являются частицами, находящимися в состоянии постоянного и хаотического движения, которое возможно описать посредством уравнений молекулярно-кинетической теории. Другими словами, по теории Друде свободные электроны в проводниках образуют «электронный газ». Как очевидно, применяемые до сих пор основные положения теории электропроводности металлов и последующей зонной теории энергетических спектров Зоммерфельда построены на законах классической механики: движение электронов описывается, как происходящее в инерциальной системе отсчета (ИСО). Хотя, как известно, микромир подчиняется законам неинерциальной системы отсчета (НИСО) и квантовой теории корпускулярно-волнового дуализма.Широкое применение полупроводниковой электроники для различных целей обусловлено специфичностью их свойств. К таковым относится незначительная собственная удельная электрическая проводимость, которая изменяется в широких пределах, например, при наличии примесей или при нагревании полупроводников до невысокой температуры. Объясняют это тем, что валентные электроны атомов, из которых состоят полупроводники, прочно связаны со своими атомами и не могут двигаться, т.е. не являются свободными. Но перевести некоторое количество электронов в зону проводимости и тем изменить электропроводность возможно (как считается) оторвав их от атомов при небольшом подводе энергии (тепла). В результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости в ковалентной связи возникают вакантные состояния, которые имеют положительный заряд, названный «дырками», и они якобы принимают участие в электропроводности наряду со «свободными» электронами. При этом часто отмечается, что дырочная электропроводность является характерной особенностью полупроводников, хотя дырочная проводимость характерна также для многих металлических проводников электрического тока, и впервые была открыта Э.Холлом раньше теории электропроводности Друде [5].Как было показано в опытах Холла в 1879 году электрический ток не для всех типов металлических проводников обусловлен движением отрицательно заряженных электронов, но зачастую он имеет противоположное направление, обусловленное движением в металлах неизвестных положительно заряженных "частиц". Исследования, проведенные в 1980 году сотрудниками Марбургского университета под руководством профессором Клауса фон Клитцинга, подтвердили возможность квантования поперечного магнитного сопротивления пленки полевого транзистора. При этом сопротивления поперечного тока Холла Rx оказались кратны отношению фундаментальных физических констант, что добавляет сомнение относительно электронной природы электрического тока по Друде-Зоммерфельда [6,7] Настоящая работа является продолжением нашей предыдущей "Суть электрического тока…" с целью выяснения природы "дырочной проводимости" – положительных носителей заряда как самостоятельного физического явления и в дальнейшем, при возможности, воссоздания общей физической модели электрического тока.1. Загадки эффекта Э.ХоллаЭкспериментальные исследования Э.Холлом выполнялись на тонких пластинках прямоугольной формы различной длины l, ширины b и толщины d. Пропустив ток с силой I по длине l образца золота в виде прямоугольной пластины, Э.Холл дополнительно поместил образец в магнитное поле с индукцией B (рис.1) [8, с изменениями]. /Рис 1. Схема эксперимента Э.Холла.Дрейфующие электроны в электрическом поле под действием силы Лоренца /со стороны внешнего магнитного поля индуцируют поперечную разность потенциалов Uх электрического поля во всех образцах, как и ожидалось, пропорционально силе тока I, индукции В магнитного поля и обратно пропорционально толщине d пластинки:/где Rх – коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Холла.Если бы Э.Холл исследовал образцы только таких металлов, как Ag, Au, Cu и некоторые полупроводники, то никакое открытие не состоялось бы. В этих образцах направление движение электронов и полярность поперечного потенциала электрического поля Uх, называемого полем Холла, находятся в полном соответствии с зонной теорией и правилом левой руки Лоренца. В силу этого для таких проводников первоначально знак коэффициента Холла был принят «положительным».Однако, Э.Г.Холл проводил опыты не только с золотом и обнаружил, что в некоторых других проводниках (Bе, Cd, Zn, Tl, V, Cr, Co…) коэффициент Холла имеет противоположный правилу левой руки Лоренца знак, т.е. отрицательный, по сравнению с другими металлами у которых знак поля Холла Uх соответствует правилу Лоренца.Позднее было принято соглашение придавать отрицательный знак полярности тем проводникам, у которых электрический ток соответствует «направленному движению» электронов» и соблюдается правило левой руки Лоренца (электронная проводимость, проводимость n-типа), а для металлов и полупроводников с обратной полярностью индуцированной разности потенциалов – положительный знак («дырочная» проводимость или проводимость р-типа) [9-11]. В соответствии с установленным правилом, когда знак Rх совпадает со знаком носителей заряда, приведем результаты экспериментального определения постоянной Холла для некоторых чистых металлов в табл.1.Таблица 1. Экспериментальные значения постоянной Холла для металлов [11, с.505]./Как видно из таблицы в металлах Cr, Ве, Сd, Zn, а также Tl, V, Co и других, не вошедших в таблицу, проводимость электрического тока обеспечивают не электроны, но некоторые положительно заряженные "объекты".2. Как появились "дырки". Эффект Э.Холла в полупроводниках.В опытах Э.Холла наблюдается видимость существования двух типов носителей электрического тока: во-первых, отрицательных носителей — электронов, (n-проводимость), и, во-вторых, – положительных носителей, движущихся в противоположном направлении (p-проводимость). Причем, для равных значений тока и магнитного поля различный знак полярности напряжения Холла Ux определяется только внутренней природой проводника. Это открытие, не воспринятое должным образом, дало первое реальное доказательство того, что электрические токи во многих металлах и некоторых полупроводниках могут переноситься не только движущимися электронами, а наряду с этим чем-то другим, — положительно заряженными «частицами». Естественно, в металлических проводниках нет положительно заряженных «свободных» элементарных частиц, альтернативных электронам, но необходимо было как-то сохранить недостаточно обоснованную противоречивую теорию электропроводности.«Понятие о подвижных «дырках» было впервые введено мной в 1926 году», сообщает читателям Я.И. Френкель [12, с.321]. Физическим сообществом начала 20-го века предложение считать «дырками» положительно заряженные переносчики электрического тока было принято. Впоследствии, для сохранности зонной теории неизменной, такому предложению было найдено и соответствующее теоретическое обоснование, которое вызывает еще больше вопросов, чем ответов к зонной теории Друде-Лоренца: «…Если зона проводимости металла укомплектована почти полностью(?), то остающиеся в ней незаполненные уровни – дырки – ведут себя как частицы, обладающие положительной эффективной массой(?) и положительным зарядом(?). Такие металлы имеют дырочную проводимость, вследствие чего знак постоянной Холла у них положительный(?) [11, т.1 стр.503]. Рассмотрим обоснованность такого заключения.Во-первых, в соответствии с зонной теорией "хорошая" электропроводность металлов объясняется тем, что в них внешние энергетические зоны образуют единую зону проводимости, в которой валентные электроны являются "свободными", т.е. их имеется в достаточном количестве. В то время как в полупроводниках зона проводимости отделена от полностью заполненной электронами валентной зоны -- для перехода же электронов из валентной зоны в зону проводимости через энергетический зазор требуется энергия. Именно при таком переходе в валентной зоне образуется положительно заряженная "дырка". Из этого описания очевидно следует, что в металлах может быть только электронная, n-электропроводность, – но не дырочная. При этом не учитывается, что для многих металлических проводников характерна электропроводность именно положительными зарядами, дырочная, подтверждаемая экспериментами (см.табл.1).Во-вторых, значение постоянной Холла в полупроводниках существенно больше, чем в металлах, что обычно объясняется малой концентрацией носителей заряда в полупроводниках по сравнению с металлами. Но носителями электропроводности в металлах по теории служат электроны, концентрация которых значительная, почему же во многих металлах ток проводят дырки?В-третьих, дырочную проводимость обосновывают расчетом величины подвижности носителей заряда ? через постоянную Холла Rх. При безусловном равенстве в полупроводниках концентраций дырок и электронов (+р = -n), их подвижности не могут быть равны, иначе постоянная Холла обратилась бы в ноль и эффект не наблюдался. При расчетах получается, что подвижности электронов ?– и дырок ?+ могут отличаться более чем на порядок, но такие расчеты лишены всякого смысла в связи с тем, что при любой расчетной подвижности скорость электрического тока всегда постоянна и равна скорости света. Расчетная подвижность носителя заряда никак не определяет скорость передачи электрического тока, т.е. это различные понятия и они между собой никак не взаимосвязаны.Кроме того, при различной подвижности электронов и дырок с учетом их одновременности и по парности зарождения, носители, которые более подвижны, быстрее рекомбинируют на противоположном электроде и исчерпают весь свой запас - электрический ток прекратится. Но такого не наблюдается.В-четвертых, привлечение законов квантовой механики для описания движения электронов проводимости в сильном периодическом поле, образованном ионами кристаллической решётки и одновременном взаимодействии между собой, приводит только к тому, что такое движение можно интерпретировать как движение свободных заряженных частиц по законам классической механики. Но при этом масса этих частиц, называемая эффективной массой, не совпадает с массой реального свободного электрона. Кроме того, в полупроводниках (и в некоторых металлах), если вместо электронов ввести фиктивные частицы — так называемые дырки, то в этом случае получаются те же простые законы движения. Дырки при математическом описании в электрических и магнитных полях движутся так же, как двигались бы положительно заряженные частицы с зарядом, численно равным заряду электрона, но с некоторой эффективной массой, не равной массе электрона. Эффективная масса дырки – свидетельство искусственности подобных математических моделей, не отражающая реальность. 3. Миф о "дырках" и "дырочной электропроводности"Существуют ли "дырки" на самом деле? Отметим следующие неестественные свойства дырочной электропроводности:Видимость перемещения дырки от положительного потенциала к отрицательному может создаваться только в том случае, когда электрон "перескакивает" с атома на атом "от минуса к плюсу". Дырки, как не материальные образования, переносить электрическую энергию не способны, и определять их движение в качестве "положительных зарядов" по Лоренцу невозможно. Положительный заряд принадлежит ядру атома проводника и сила Лоренца реально действует только на движущиеся заряженные частицы. На дырки, не имеющие заряд, массу и не движущиеся, а лишь последовательно образующиеся – сила Лоренца/не действует. Поэтому «дырочная» электропроводность, реально наблюдаемая, обусловлена не дырками, но чем-то, реально имеющий «положительный» заряд.В реальности дырки не могут иметь "эффективную массу", которой оперируют при квантово-механических расчетах, масса остается в ядре атома.Образование дырок в атомах полупроводников или металлов при комнатной температуре за счет ухода электронов с валентных орбиталей и образования «электронного газа» – виртуальная гипотеза, которая ничем не подтверждается и противоречит экспериментальным фактам. В реальности электроны сохраняют орбитальное вращение при нагреве и при температуре плавления, и при температуре кипения, и в перегретой паровой фазе, что подтверждает спектральный анализ (для германия – это выше 27000С, а для кремния – более 32000С!).ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ. 1) "Дырочная проводимость", электропроводность в металлах и полупроводниках "положительными зарядами", как альтернатива проводимости "отрицательными зарядами" (электронами), – не способна объяснить действительно наблюдаемую в опытах Холла электропроводность и является виртуальной, не научной.2) Электроны находятся в атоме и сохраняют орбитальное вращение вплоть до температур в несколько тысяч градусов, что подтверждается спектральным анализом нагретых тел. В проводниках и полупроводниках не существует «свободных электронов» и, как следствие, не существует «электронного газа». Вакансий электронов и «дырок» ни в металлах, ни в полупроводниках не существует. Переход в полупроводниках электронов с валентной зоны в зону проводимости с образованием "дырок" – ничем не подкрепленная гипотеза, противоречащая экспериментам. Из этого следует, что предлагаемая теория электронной проводимость, основанная на зонной теории Друде-Лоренца, противоречит экспериментам и может быть признана устаревшей. (При более глубоком рассмотрении приписываемый электрону элементарный отрицательный заряд – несуществующая в реальности условность, виртуальность. Ни отрицательных, ни положительных элементарных зарядов в Природе не существует, что отмечалось в наших предыдущих работах).3) Сила Лоренца в материалах имеющих р-проводимость не может быть следствием действия дырок, пустоты. Реально наблюдаемое проявление "положительно заряженных" носителей электрического тока возможно лишь при взаимодействии с определенным свойством электромагнитного поля положительной полярности и требует дальнейших исследований. Это будет рассмотрено нами в следующей работе.
Номер журнала Вестник науки №12 (69) том 4
Ссылка для цитирования:
Ильченко Л.И. СУТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЧАСТЬ 2. МИФ О «ДЫРКАХ» И ДЫРОЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ // Вестник науки №12 (69) том 4. С. 1168 - 1179. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/12001 (дата обращения: 19.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+