Portador de càrrega

En física de l'estat sòlit, un portador de càrrega és una partícula o cuasipartícula que és lliure de moure's i que transporta una càrrega elèctrica, especialment les partícules que transporten càrregues elèctriques en conductors elèctrics. Alguns eixemples són els electrons, els ions i els buits. En un mig conductor, un camp elèctric pot eixercir força sobre estes partícules lliures, provocant un moviment net de les partícules a través del mig; açò és lo que constituïx una corrent elèctrica. l'electró i el protón són els portadors de càrrega elemental, cada u en una càrrega elemental (i), de la mateixa magnitut i signe opost.

Portador de càrrega denota en física una partícula lliure (mòvil i no enllaçada) portadora d'una càrrega elèctrica. Com a eixemple els electrons i els ionés. En la física de semiconductorés, els buits produïts per falta d'electrons són tractats com a portadors de càrrega.

En solucions iòniques, els portadors de càrrega són els cationes i aniones dissolts. Similarment, els cationes i aniones dels líquits disociados servixen com a portadors de càrrega en líquits i en sòlits iònics derretidos.

En el plasma, aixina com en l'arc elèctric, els electrons i cationes del gas ionizado i del material vaporizado dels electrodos actuen com a portadors de càrrega.

En buit, en un arc elèctric o en un tubo de buit, els electrons lliures actuen com a portadors de càrrega.

En conductors

En mijos conductors, les partícules servixen per a transportar càrrega. En molts metals, els portadors de càrrega són electrons. Un o dos dels electrons de valència de cada àtom poden moure's lliurement dins de l'estructura cristalina del metal. Els electrons lliures es denominen electrons de conducció, i el núvol d'electrons lliures es diu gas de Fermi. Molts metals tenen bandes d'electrons i buits. En alguns, la majoria dels portadors són forats.

En els electrolitos, com l'aigua salada, els portadors de càrrega són els ions, que són àtoms o molècules que han guanyat o perdut electrons, per lo que estan carregats eléctricament. Els àtoms que han guanyat electrons, per lo que estan carregats negativament, es diuen aniones, els àtoms que han perdut electrons, per lo que estan carregats positivament, es diuen cationes. Els cationes i aniones del líquit disociado també servixen com a portadors de càrrega en sòlits iònics fosos (vore, per eixemple, el procés Hall-Héroult per a un eixemple de electrólisis d'un sòlit iònic fos). Els conductors de protones són conductors electrolítics que ampren ions d'hidrogen positius com a portadors.

En un plasma, un gas carregat eléctricamente que es troba en els arcs elèctrics a través de l'aire, els lletrers de neó i el sol i les estreles, els electrons i cationes del gas ionizado actuen com a portadors de càrrega.

En el buit, els electrons lliures poden actuar com a portadors de càrrega. En el component electrònic conegut com tubo de buit (també cridat vàlvula), el núvol d'electrons mòvils és generada per un càtodo metàlic calfat, per mig d'un procés cridat emissió termoiònica. Quan s'aplica un camp elèctric en la suficient força com per a atraure als electrons cap a un fes, açò pot denominar-se raig catódico, i és la base de la pantalla de tubo de rajos catódicos àmpliament utilisada en televisors i monitors de computadora fins a la década del 2000.

En els semiconductors, que són els materials utilisats per a fabricar components electrònics com transistors i circuits integrats, són possibles dos tipos de portadors de càrrega. En els semiconductors de tipo p, les "partícules efectives", conegudes com buits d'electrons en càrrega positiva, es mouen a través de la ret cristalina, produint una corrent elèctrica. Els "buits" són, en efecte, vacants d'electrons en la població d'electrons de la banda de valència del semiconductor i es tracten com a portadors de càrrega perque són mòvils i es mouen d'un lloc atòmic a un atre. En els semiconductors de tipo n, els electrons en la banda de conducció es mouen a través del cristal, lo que genera una corrent elèctrica.

En alguns conductors, com les solucions iòniques i els plasmes, coexistixen portadors de càrrega positius i negatius, per lo que en estos casos una corrent elèctrica està formada pels dos tipos de portadors movent-se en direccions opostes. En atres conductors, com els metals, només hi ha portadors de càrrega d'una polaridad, per lo que una corrent elèctrica en ells simplement consistix en portadors de càrrega que es mouen en una direcció.

En semiconductors

Hi ha dos tipos reconeguts de portadors de càrrega en els semiconductors. Un d'ells són els electrons, que duen una càrrega elèctrica negativa. Ademés, és convenient tractar les vacants viageres en la població d'electrons de la banda de valència (buits) com un segon tipo de portador de càrrega, que duen una càrrega positiva igual en magnitut a la d'un electró.

Generació i recombinació de portadors

Quan un electró es troba en un buit, es recombinan i estos portadors lliures desapareixen efectivament. L'energia lliberada pot ser tèrmica, calfant el semiconductor (recombinació tèrmica, una de les fonts de calor residual en els semiconductors), o lliberada en forma de fotons (recombinació òptica, utilisada en LED i làsers semiconductors). La recombinació significa que un electró que ha segut excitat des de la banda de valència a la banda de conducció torna a l'estat buit en la banda de valència, conegut com els buits. Els buits són els estats buits que es creen en la banda de valència quan un electró s'excita despuix d'obtindre una miqueta d'energia per a passar l'espai energètic.

Operadors majoritaris i minoritaris

Els portadors de càrrega més abundants es denominen portadors majoritaris, que són els principals responsables del transport de corrent en una peça de semiconductor. En els semiconductors de tipo n són electrons, mentres que en els semiconductors de tipo p són buits. Els portadors de càrrega menys abundants es denominen portadors minoritaris ; en els semiconductors de tipo n són buits, mentres que en els semiconductors de tipo p són electrons.

En un semiconductor intrínsec, que no conté cap impurea, les concentracions d'abdós tipos de portadors són idealment iguals. Si un semiconductor intrínsec està dopat en una impurea donant, llavors els portadors majoritaris són electrons. Si el semiconductor està dopat en una impurea aceptora, llavors els portadors majoritaris són buits.

Els portadors minoritaris eixerciten un paper important en els transistors bipolars i les cèlules solars. El seu paper en els transistors d'efecte de camp (FET) és una miqueta més complex: per eixemple, un MOSFET té regions de tipo p i de tipo n. L'acció del transistor involucra als portadors majoritaris de les regions de font i drenage, pero estos portadors travessen el cos del tipo opost, a on són portadors minoritaris. No obstant, els portadors que passen superen enormement en número als seus tipos oposts en la regió de transferència (de fet, els portadors de tipo opost són eliminats per un camp elèctric aplicat que crea una capa d'inversió), per lo que convencionalment s'adopta la designació de font i drenage per als portadors, i els FET es denominen dispositius de "portador majoritari".

Concentració de portadors lliures

La concentració de portadors lliures és la concentració de portadors lliures en un semiconductor dopat. És similar a la concentració de portadors en un metal i per a fins de càlcul de corrents o velocitats de deriva es pot utilisar de la mateixa manera. Els portadors lliures són electrons (buits) que s'han introduït en la banda de conducció (banda de valència) per mig de dopage. Per lo tant, no actuaran com a portadors dobles deixant buits (electrons) en l'atra banda. En atres paraules, els portadors de càrrega són partícules que poden moure's lliurement i transportar la càrrega. La concentració de portadors lliures dels semiconductors dopats mostra una dependència característica de la temperatura.