Elektrovadītspēja

Elektrovadītspēja ir fizikāls lielums, kas raksturo materiāla ķermeņa spēju vadīt elektrisko strāvu. Elektrovadītspēja ir apgriezts lielums attiecībā pret elektrisko pretestību. SI sistēmā elektrovadītspējas mērvienība ir sīmenss (S) jeb Ω⁻¹. Agrāk izdotā literatūrā to sauc arī par apgriezto omu (apzīmējums Mo).

Metālu elektrovadītspējas klasiskā elektronu teorija

Zinot, ka metālu atomu valences elektroni ir kopēji visiem atomiem, var noteikt šo kolektīvo jeb brīvo elektronu koncentrāciju, kurai ir atomu koncentrācijas lieluma kārta (10²²- 10²³ cm⁻³). 

Tā 10⁴ reizes pārsniedz gāzes molekulu koncentrāciju normālos apstākļos. Ņemot vērā arī to, ka elektroni ir lādētas daļiņas, var secināt, ka šo elektronu savstarpējā mijiedarbība un mijiedarbība ar kristālrežģa joniem ir liela. Bet šīs mijiedarbības vidējošais rezultējošais spēks ir vienāds ar nulli. Tāpēc pirmajā tuvinājumā var uzskatīt, ka katrs elektrons ir brīvs un mijiedarbība notiek, elektroniem saduroties ar citiem elektroniem un režģa joniem. Šāda brīvu daļiņu sistēma ir raksturojama tikai ar kinētisko enerģiju, un tā ir analoga ideālas gāzes molekulu sistēmai. Tādēļ arī metālu brīvos elektronus bieži sauc par elektronu gāzi. Lorencs un Drūde, pieņemot, ka šī elektronu gāze pakļaujas klasiskajai Bolcmaņa-Maksvela statistikai un gāzu kinētiskās teorijas likumiem, izstrādāja metālu elektrovadītspējas teoriju. Tomēr izrādījās, ka šī teorija nesaskan ar eksperimentu.

Metālu elektrovadītspēja

Ja metāls neatrodas ārējā  elektriskajā laukā, tad brīvo elektronu kustība ir haotiska. Tas izriet no elektronu impulsu simetriskā sadalījuma impulsu telpā Fermī lodē: katram elektronam ar noteiktu impulsu p atbilst kāds cits elektrons ar pretēji vērstu impulsu -p.
Ja metālu ievieto homogēnā ārējā laukā, uz katru elektronu darbojas spēks vienā virzienā un visi Fermī lodei atbilstošie elektroni iegūst paātrinājumu, kas vērsts pretēji lauka intensitātes virzienam. Šis paātrinājums rada elektronu orientētās kustības ātruma komponenti un elektriskā lādiņa pārnesi vienā virzienā. Elektrisko spēku, elektroniem kustoties ar noteiktu vidējo translācijas ātrumu, līdzsvaro pretestības jeb bremzējošais spēks. No kvantu mehānikas izriet fundamentāls secinājums, ka ideālā kristālrežģī elektronu translācijas kustībai nav pretestības. Pretestību rada tikai kristālrežģa kropļojumi jeb defekti. Defekti lokāli izmaina kristālrežģa periodisko spēka lauku. Šīs izmaiņas ir īpaša veida potenciālās barjeras elektronu translācijas kustības ceļā, un tādējādi rodas elektronu mijiedarbība ar kristālrežģa defektiem. Mijiedarbības rezultātā elektrons zaudē to kinētisko enerģiju, ko tas ieguva ārējā elektriskajā laukā, un elektrona orientētās kustības ātrums samazinās līdz nullei. Šo elektrona un defekta mijiedarbību var uzskatīt par elektronu izkliedi jeb sadursmēm. Tā kā defekti rada tikai lokālas periodiskā lauka izmaiņas, tad attālums starp divām sadursmēm ir elektrona brīvā ceļa garums. Laikā τ starp divām sadursmēm elektrona kustība elektriskajā laukā ir vienmērīgi paātrināta.
Tāpēc, elektrona vidējo ātrumu pirms sadursmes izsaka formula, kur  jāņem efektīvā elektrona masa m*: 
Vidējais elektronu translācijas kustības ātrums:  
Vidējais elektrona impulsa pieaugums elektriskajā laukā: 
Tas raksturo Fermī lodes centra nobīdi. Maksimālais elektrona orientētās kustības impulss pirms sadursmes: 
Šis impulss atbilst enerģijas līmenim virs Fermī virsmas apgabalā a. Sadursmē ar kristālrežģa defektu šis elektrona impulss samazinās līdz nullei un elektrons pāriet uz zemāku enerģijas līmeni, kas atbilst Fermī virsmas apgabalam b. Tā kā elektrona orientētās kustības ātrums 10⁻³ m/s, bet Fermī kinētiskajai enerģijai atbilstošais ātrums  10⁶ m/s, tad izkliedes enerģija ir daudz mazāka par Fermī enerģiju. Tāpēc sadursmēm pakļauti galvenokārt tie elektroni, kas atrodas Fermī virsmas tuvumā. Ievērojot, ka , laiks starp divām elektrona sadursmēm: 
kur  ir elektrona vidējais brīvā ceļa garums. Ievietojot vidējās elektronu translācijas kustības ātruma izteiksmi, iegūst: 
Izsakot virzes kustības ātrumu uz lauka intensitātes vienību, iegūst lielumu, kuru sauc par lādiņnesēju kustīgumu: 
Ievietojot  ātruma izteiksmi formulā: 
Kā redzam, metālu īpatnējā vadītspēja:  
Izmantojot lādiņnesēju kustīguma definīciju, īpatnējā vadītspēja izsakāma šādi: ,kur (elektronu skaits tilpuma vienībā ).

Pusvadītāji

Pusvadītāji ir vielu grupa, kas praktiski ir izolatori,
tomēr dažādu ārēju faktoru iedarbībā (pievadot siltuma vai
gaismas enerģiju, ievietojot tos elektriskajā laukā) to
vadītspēja ievērojami palielinās. Pazīstamākie pusvadītāji ir
germānijs (Ge), silīcijs (Si), selēns (Se), kā arī dažādi neorganiskie un organiskie savienojumi.

Pusvadītāju elektrovadītspēja

Pusvadītāju elektrisko īpašību izskaidrojumam izmanto
kristāla enerģijas līmeņu (zonu) shēmu. Aizliegtās zonas platums ΔE
kristālam ar pašvadītspēju ir diezgan liels - no dažām
desmitdaļām elektronvolta līdz dažiem elektronvoltiem. Ja
elektronam aizpildītajā zonā pievada šādu enerģiju (ΔE sauc arī par aktivācijas enerģiju), tad tas var
pāriet uz vadītspējas zonu. Tādā veidā palielinās brīvo elektronu koncentrācija un pieaug
pusvadītāja elektriskā vadītspēja (vienlaikus palielinās arī caurumu koncentrācija). 
Lai palielinātu pusvadītāja elektrisko vadītspēju, jāsamazina ΔE vērtība. Tas iespējams, ja ideāli tīru kristālu režģī ievada kādu citu elementu atomus. Ja piejauktais elements viegli atdod elektronus, tad palielinās pusvadītāja elektronvadītspēja. Šādu pusvadītāju ar piejaukumvadītspēju sauc par n tipa pusvadītāju. Ja piejauktā elementa atoms viegli piesaista pamatkristāla atomu elektronus, šādā kristālā palielinās caurumu (vietas, no kurām aizgājis elektrons) koncentrācija aizliegtajā zonā. Tā kā caurumam piemīt pozitīva lādiņa īpašības, tad kristālā rodas p tipa vadītspēja. Tātad, pieaugot temperatūrai, pusvadītāju vadītspēja palielinās (pretēji kā metāliem). Vadītspējas elektronu (arī caurumu) koncentrācija, un līdz ar to paša pusvadītāja elektriskā vadītspēja, ir atkarīga no temperatūras. Līdzsvara stāvoklī pusvadītāju īpatnējo elektrisko vadītspēju var izteikt šādi:, 
kur  - īpatnējā elektriskā vadītspēja, ja T → ∞ (kad visi valentie elektroni atbrīvoti). Tā dotajai vielai ir konstante; ΔE – aizliegtās zonas platums - enerģija, kas nepieciešma elektronu pārejai no saistītā stāvokļa brīvā stāvoklī; k - Bolcmaņa konstante.