传导电子

电传导（英语：electrical conduction）是指介质内，载电荷的粒子的运动。称这些粒子为电荷载子。它们的运动形成了电流。这运动可能是因为感受到电场的作用而产生的，或是因为载子分布的不均匀引发的扩散机制的结果。对于不同的物质，电荷传输的物理参数也不同。根据物质电传导性的不同可以分为导体和绝缘体。常见的导体有金属，电解质溶液或液体。常见的绝缘体有干燥的木材、塑料、橡胶。欧姆定律明确地描述了金属和电阻器的电传导。欧姆定律阐明，电流与外加的电场成正比，在一个物质内，由于外加的电场 E {displaystyle mathbf {E} ,!} 而产生的电流密度 J {displaystyle mathbf {J} ,!} ，可以用方程表达为其中， σ {displaystyle sigma ,!} 是物质的电导率；或者，其中， ρ {displaystyle rho ,!} 是物质的电阻，是 σ {displaystyle sigma ,!} 的倒数。在半导体元件里，电传导是由电场作用和扩散这两种物理机制共同引发的。因此，电流密度可以表达为其中， D {displaystyle D,!} 是扩散常数， q {displaystyle q,!} 是电荷量， n {displaystyle n,!} 是电子的体积密度。由于电子的电荷量是负值，载子是朝着电子密度递减的方向移动。因此，对于电子，假若电子密度的梯度是正值，则电流是负值；假若载子是空穴，则必须将电子密度 n {displaystyle n,!} 改换为空穴密度 p {displaystyle p,!} 的负值：对于线性异向性物质， σ {displaystyle sigma ,!} 、 ρ {displaystyle rho ,!} 、 D {displaystyle D,!} ，都是张量。设想外电场 E {displaystyle mathbf {E} ,!} 作用于某物体。在这物体内，电荷量为 q {displaystyle q,!} 的自由电子，感受到电场力 F = q E {displaystyle mathbf {F} =qmathbf {E} ,!} ，会呈现加速运动。没有任何障碍阻止这运动，自由电子的速度会变的越来越大。然而，每经过一段时间 t {displaystyle t,!} ，自由电子会碰撞到其它原子的阻碍，使其速度回归为热速度 (thermal velocity) 。这样，自由电子的运动会呈现不断的加速与碰撞。每一次碰撞，累积的动量 P {displaystyle mathbf {P} ,!} 平均为其中，角括弧代表平均程序。所以，电流密度 J {displaystyle mathbf {J} ,!} 为其中， n {displaystyle n,!} 是电子密度， v {displaystyle mathbf {v} ,!} 是自由电子的平均速度， m {displaystyle m,!} 是电子质量。这经典模型是由保罗·德鲁德于 1900 年提出，称为德鲁德模型。从这模型得到了一个重要结果：电流密度与电场成正比，比例是物质的电导率 σ {displaystyle sigma ,!} 。在电解液里的电流是载有电荷的离子流。例如，施加电场于 Na+ 和 Cl– 的溶液。那么，钠离子会不断地移向负极；而氯离子会往正极移动。在正常状况下，氧化还原反应会发生于电极表面，将氯离子的电子释放出来，经过导线传输到另外一端，让电子被钠离子吸收。水-冰混和物和某些称为质子导体 (proton conductor) 的固态电解质，含有可移动的正价氢离子。对于这些物质，电流是由移动的质子形成的。在某些电解质混合物里，一群鲜艳着色的离子形成了移动的电荷。这些离子的缓慢移动所形成的电流，可以用人眼直接地观察到。对于空气和一些普通气体，假设施加的外低于击穿电场阈值，电传导的主要电荷载子是由放射性气体、紫外光和宇宙射线造成的相当少数量的可移动离子。由于电导率非常低，气体是电介质或绝缘质。但是，一当施加的外电场超过击穿值时，由于电场力的作用，自由电子呈加速运动，动能变得相当大，足够以碰撞机制来制造更多的自由电子，或用雪崩击穿的机制将中性气态原子或中子电离。这程序形成了等离子体，含有很多的可移动的电子和正离子，使等离子体的物理行为变得就像一个导体。这程序的传导路径上，会有光波发射出来，像电光 (spark) 、电弧、闪电等等。等离子态是一种物质态。当气体的分子或原子的一些电子被电离时，称此状态的物质为等离子体。非常高的温度，或强大的电场或磁场的作用，会产生等离子体。由于电子的质量很小，当施加电场时，等离子体的电子会比很重的正离子更快加速。大部分的电流是由电子形组成的。由于在理想真空 (perfect vacuum) 内，没有任何带电粒子，这种真空就好像理想绝缘体（应该算是目前所知最棒的绝缘体了）但是，通过场致电子发射 (field electron emission) 或热离子发射 (thermionic emission) 的机制，金属的电极表面会发射自由电子或离子于真空，因而使得真空内的一部分区域变得具有传导性。当热能超过金属的功函数时，就会产生热离子发射，金属会发射出热离子。当金属表面的电场有足够的强度来引发量子隧穿效应时，就会出现场致电子发射，促使金属原子射出电子于真空。