La mobilità elettronica spiegata in dettaglio
La mobilità elettronica si riferisce alla capacità degli elettroni di spostarsi sotto l’influenza di un campo elettrico. Gli elettroni, dotati di carica negativa, vengono accelerati in direzione opposta al campo elettrico E. La forza che agisce su di essi è espressa da -eE, dove e rappresenta la carica dell’elettrone. Tale forza genera un’accelerazione costante, e in assenza di ostacoli, come nel vuoto, la velocità degli elettroni aumenta costantemente.
Nei solidi cristallini, tuttavia, gli elettroni sono soggetti a collisioni con i difetti della struttura cristallina e con le vibrazioni causate dall’agitazione termica del materiale. Questo porta gli elettroni a cambiare costantemente direzione, seguendo un modello di movimento descritto come moto browniano. Nonostante ciò, è possibile associare loro una velocità media o velocità di deriva, dipendente dal campo elettrico e dal materiale.
La velocità di deriva è definita come il prodotto del campo elettrico per una costante chiamata mobilità, rappresentata dall’equazione vd = – μeE. Inoltre, la resistività elettrica rappresenta l’opposizione di un materiale al flusso di elettroni, misurata in Ohm·metro (Ω·m) come ρ = R A/l, dove R indica la resistenza, A l’area della sezione trasversale del campione e l la sua lunghezza.
La conduttività, il reciproco della resistività, misura la capacità di un materiale di condurre la corrente elettrica. È espressa dall’equazione σ = n │e│ μe, dove n rappresenta la concentrazione degli elettroni e │e│ la carica dell’elettrone. Infine, la conduttività è misurata in Siemens per metro (S/m).
Inoltre, i semiconduttori possono essere intrinseci o estrinseci. I semiconduttori intrinseci sono sufficientemente puri da non subire l’effetto delle impurità sul loro comportamento elettrico. Diversamente, nei semiconduttori estrinseci la conduttività è influenzata dalla concentrazione delle impurità.
Infine, un esercizio esplicativo aiuta a comprendere meglio i concetti. Ad esempio, il calcolo della mobilità degli elettroni nell’alluminio può essere una sfida, ma seguendo le giuste modalità di calcolo e conversione delle unità di misura si può giungere a una soluzione accurata.
In conclusione, la mobilità elettronica e i concetti correlati sono cruciali per comprendere la conduzione elettronica nei materiali solidi e semiconduttori. La loro comprensione è fondamentale per diversi campi della scienza e dell’ingegneria.
