| Предыдущая версия справа и слева
Предыдущая версия
Следующая версия
|
Предыдущая версия
|
lab4:движение_носителей [2019/04/04 22:23]
root_s |
lab4:движение_носителей [2019/09/13 12:40] (текущий)
root_s |
| Амплитуда периодического движения совпадает с Ларморовским радиусом $\rho _{L} =\frac{v_{\bot }}{\omega _{c} }$. Отметим, что это справедливо для свободной частицы, которая не сталкивается с другими частицами и с какими-либо другими объектами. | Амплитуда периодического движения совпадает с Ларморовским радиусом $\rho _{L} =\frac{v_{\bot }}{\omega _{c} }$. Отметим, что это справедливо для свободной частицы, которая не сталкивается с другими частицами и с какими-либо другими объектами. |
| |
| Рассмотрим поведение частицы //с учётом столкновений// частиц. Из курса молекулярной физики известно, что все частицы совершают хаотическое тепловое движение. Важной характеристикой такого движения является средняя длина свободного пролёта --- $\langle l\rangle $. Зная среднюю (по модулю) тепловую скорость, можно определить среднее время между столкновениями частиц $\tau =\frac{\langle l\rangle}{\langle | v | \rangle $. Если на частицы не действует внешняя сила, то средняя проекция тепловой скорости на любое направление равна нулю. При наложении внешнего постоянного электрического поля на частицу будет действовать постоянная сила. Следовательно, в промежутках между столкновениями её движение является равноускоренным, и она приобретает дополнительный импульс и, следовательно, дополнительную скорость в направлении действия силы. Если //добавка// к скорости, которую частица приобретает вследствие действия электрического поля, за время $\tau $ // много меньше // её средней по модулю тепловой скорости, то такое поле называется //слабым//. После столкновения частица равновероятно рассеивается в любом направлении, значит в среднем, проекция её скорости на любое направление равна нулю. Двигаясь далее, она опять испытывает ускорение, приобретает дополнительную скорость и так далее. Таким образом, частица, кроме хаотического теплового движения, совершает дрейф с некоторой средней скоростью $v_{d}.$ | Рассмотрим поведение частицы //с учётом столкновений// частиц. Из курса молекулярной физики известно, что все частицы совершают хаотическое тепловое движение. Важной характеристикой такого движения является средняя длина свободного пролёта --- $\langle l\rangle $. Зная среднюю (по модулю) тепловую скорость, можно определить среднее время между столкновениями частиц $\tau =\frac{\langle l\rangle}{\langle | v | \rangle }$. Если на частицы не действует внешняя сила, то средняя проекция тепловой скорости на любое направление равна нулю. При наложении внешнего постоянного электрического поля на частицу будет действовать постоянная сила. Следовательно, в промежутках между столкновениями её движение является равноускоренным, и она приобретает дополнительный импульс и, следовательно, дополнительную скорость в направлении действия силы. Если //добавка// к скорости, которую частица приобретает вследствие действия электрического поля, за время $\tau $ // много меньше // её средней по модулю тепловой скорости, то такое поле называется //слабым//. После столкновения частица равновероятно рассеивается в любом направлении, значит в среднем, проекция её скорости на любое направление равна нулю. Двигаясь далее, она опять испытывает ускорение, приобретает дополнительную скорость и так далее. Таким образом, частица, кроме хаотического теплового движения, совершает дрейф с некоторой средней скоростью $v_{d}.$ |
| |
| В //приближении слабого поля// дрейфовая скорость $v_{d} $ много меньше средней по модулю тепловой скорости и время $\tau $ не зависит от дрейфовой скорости и, соответственно, от внешней силы. Приобретаемый частицей дополнительный импульс и скорость пропорциональны как внешней силе $F_{E} $, так и времени действия этой силы $\tau $. Таким образом, в слабом электрическом поле дрейфовая скорость пропорциональна напряжённости электрического поля ${\vec v}_{d}=u\cdot \vec E$, где коэффициент пропорциональности $u$ называется **подвижностью** носителей заряда, в СИ подвижность имеет размерность $\frac{м^2}{В\cdot с}$, но часто измеряется в несистемных единицах $\frac{см^2}{В\cdot с}$. | В //приближении слабого поля// дрейфовая скорость $v_{d} $ много меньше средней по модулю тепловой скорости и время $\tau $ не зависит от дрейфовой скорости и, соответственно, от внешней силы. Приобретаемый частицей дополнительный импульс и скорость пропорциональны как внешней силе $F_{E} $, так и времени действия этой силы $\tau $. Таким образом, в слабом электрическом поле дрейфовая скорость пропорциональна напряжённости электрического поля ${\vec v}_{d}=u\cdot \vec E$, где коэффициент пропорциональности $u$ называется **подвижностью** носителей заряда, в СИ подвижность имеет размерность $\frac{м^2}{В\cdot с}$, но часто измеряется в несистемных единицах $\frac{см^2}{В\cdot с}$. |
| Величина $E_H$ называется **полем Холла**. Таким образом, электрическое поле (для нашей ориентации векторов) имеет компоненты $E_x$ и $E_y$, следовательно, полный вектор электрического поля $\vec E = \vec i E_{x} + \vec k E_{y}$ не будет совпадать по величине и направлению с первоначальным, (когда $\vec{В}= 0$) между ними будет угол $\varphi _H$, получивший название **угол Холла**. Для тангенса этого угла можно записать: | Величина $E_H$ называется **полем Холла**. Таким образом, электрическое поле (для нашей ориентации векторов) имеет компоненты $E_x$ и $E_y$, следовательно, полный вектор электрического поля $\vec E = \vec i E_{x} + \vec k E_{y}$ не будет совпадать по величине и направлению с первоначальным, (когда $\vec{В}= 0$) между ними будет угол $\varphi _H$, получивший название **угол Холла**. Для тангенса этого угла можно записать: |
| $$ | $$ |
| tg (\varphi _{H}) =\frac{E_{y}{E_{x}} | tg (\varphi _{H}) =\frac{E_y}{E_x} |
| $$ | $$ |
| или | или |
| $$ | $$ |
| tg(\varphi _{H}) =-\frac{\sigma B}{en}=-u_{n} B. | tg (\varphi _{H}) =-\frac{\sigma B}{en}=-u_{n} B. |
| $$ | $$ |
| |
| $$U_{H} =-\frac{IB}{eph}=\frac{R_{H} IB}{h}, | $$U_{H} =-\frac{IB}{eph}=\frac{R_{H} IB}{h}, |
| $$ | $$ |
| где р --- концентрация дырок, $u_p$ --- их подвижность, $R_H = (e p}^{-1}$ --- постоянная Холла для дырочного полупроводника. Сопоставляя последние формулы, можно видеть, что по знаку эдс Холла можно определить в эксперименте тип носителей заряда, а по величине $R_H$ --- их концентрацию. Кроме того, если возможно измерение и проводимости, и постоянной Холла, то по ним определяют подвижность носителей: | где р --- концентрация дырок, $u_p$ --- их подвижность, $R_H = (e p)^{-1}$ --- постоянная Холла для дырочного полупроводника. Сопоставляя последние формулы, можно видеть, что по знаку эдс Холла можно определить в эксперименте тип носителей заряда, а по величине $R_H$ --- их концентрацию. Кроме того, если возможно измерение и проводимости, и постоянной Холла, то по ним определяют подвижность носителей: |
| $$ | $$ |
| u_{n(p)} =\sigma R_{H} . | u_{n(p)} =\sigma R_{H} . |
| |
| Теперь рассмотрим ситуацию, когда в полупроводнике есть и электроны, и дырки. Запишем общий вид уравнений движения для электронов и дырок в электрическом и магнитном полях: | Теперь рассмотрим ситуацию, когда в полупроводнике есть и электроны, и дырки. Запишем общий вид уравнений движения для электронов и дырок в электрическом и магнитном полях: |
| | $$ |
| $m \frac{d{\vec v}_n}{dt} =-e\vec E- \frac{e}{c}[{\vec v}_n \vec B]$ --- для электронов, | m \frac{d{\vec v}_n}{dt} =-e\vec E- \frac{e}{c}[{\vec v}_n \vec B] \mbox{ - для электронов, } \ \ |
| | m \frac{d{\vec v}_p}{dt} =-e\vec E- \frac{e}{c}[{\vec v}_p \vec B] \mbox{ - для дырок.} |
| $m \frac{d{\vec v}_p}{dt} =-e\vec E- \frac{e}{c}[{\vec v}_p \vec B]$ --- для дырок. | $$ |
| Проинтегрировав эти уравнения, и используя соотношение для подвижности $u_n =\frac{e \langle \tau \rangle}{m_n}$, получим: | Проинтегрировав эти уравнения, и используя соотношение для подвижности $u_n =\frac{e \langle \tau \rangle}{m_n}$, получим: |
| $$ | $$ |
| где $b = \frac{u_n}{u_p}$. Согласно последней формуле $R_H<0$ при $b>1$ (т.е. $u_n>u_p$) и $R_H>0$ при $b<1$ (т.е. $u_n<u_p$). | где $b = \frac{u_n}{u_p}$. Согласно последней формуле $R_H<0$ при $b>1$ (т.е. $u_n>u_p$) и $R_H>0$ при $b<1$ (т.е. $u_n<u_p$). |
| |
| Выше мы полагали, что все носители заряда имеют одно и то же время релаксации, иными словами --- мы считали вероятность рассеяния независящей от скорости движения. При строгом рассмотрении необходимо учитывать распределение носителей по скоростям; следствием этого будет зависимость времени релаксации электронов (дырок) от их кинетической энергии. Описание кинетических явлений в ансамбле частиц при учете их распределения по энергии обычно выполняют с помощью кинетического уравнения Больцмана. Следствием рассмотрения эффекта Холла с помощью этого уравнения будет появление множителя \textit{r} | Выше мы полагали, что все носители заряда имеют одно и то же время релаксации, иными словами --- мы считали вероятность рассеяния независящей от скорости движения. При строгом рассмотрении необходимо учитывать распределение носителей по скоростям; следствием этого будет зависимость времени релаксации электронов (дырок) от их кинетической энергии. Описание кинетических явлений в ансамбле частиц при учете их распределения по энергии обычно выполняют с помощью кинетического уравнения Больцмана. Следствием рассмотрения эффекта Холла с помощью этого уравнения будет появление множителя $r$ |
| \begin{equation} \label{GrindEQ__46_} | $$ |
| r{\rm \; }={\rm \; }<\tau ^{2} >/<\tau >^{2} | r=\frac{\langle \tau ^{2} \rangle}{{\langle \tau \rangle}^{2}} |
| \end{equation} | $$ |
| в выражении для постоянной Холла: | в выражении для постоянной Холла: |
| |
| \noindent $R_{H} =-\, r/(en)$ -- для электронов, $R_{H} =-r/(ep)$ -- для дырок, | $$ |
| | R_{H} =-r(en)^{-1} \mbox{ - для электронов, } R_{H} =-r(ep)^{-1} \mbox{ - для дырок,} |
| | $$ |
| | $$ |
| | R_{H}=\frac re \frac{pu_{p}^{2} -nu_{n}^{2} }{(nu_{n} +pu_{p})^{2}} \mbox{ - для биполярной проводимости.} |
| | $$ |
| |
| \noindent $R_{H} {\rm \; }={\rm \; }(r/e)(pu_{p}^{2} -nu_{n}^{2} )/(nu_{n} +pu_{p} )^{2} $-- для биполярной проводимости. | Здесь $\langle \tau \rangle$ --- среднее время релаксации, $\langle \tau ^{2} \rangle$ --- средний квадрат времени релаксации. Соответственно все полученные выше формулы, где есть множители $(en)^{-1}$ или $(ep)^{-1}$, верны с точностью до множителя $r$; в частности, для подвижности: |
| | $$ |
| \noindent Здесь $\mathrm{<}$\textit{$\tau$} $\mathrm{>}$ -- среднее время релаксации, $\mathrm{<}$\textit{$\tau$${}^{2} $}$\mathrm{>}$ -- средний квадрат времени релаксации. Соответственно все полученные выше формулы, где есть множители 1/\textit{(en)} или 1/(\textit{ep}), верны с точностью до множителя r; в частности, для подвижности: | u_{n}^{H} =\frac{r\sigma}{en}=ru_{n}; \ \ \ \ |
| \[{\rm \; }u_{n}^{H} {\rm \; }={\rm \; }r\sigma /en=ru_{n} {\rm ,}{\rm \; }\] | u_{p}^{H} = \frac{r\sigma}{ep}=ru_{p} . |
| \begin{equation} \label{GrindEQ__47_} | $$ |
| {\rm \; }u_{p}^{H} {\rm \; }={\rm \; }r\sigma /en=ru_{p} . | |
| \end{equation} | |
| Поэтому подвижность, определяемую с помощью эффекта Холла, называют холловской, в отличие от истинной (дрейфовой). Множитель r получил название фактора Холла. | Поэтому подвижность, определяемую с помощью эффекта Холла, называют холловской, в отличие от истинной (дрейфовой). Множитель r получил название фактора Холла. |
| |
| Поскольку \textit{r} определяется временем релаксации \textit{$\tau$}, то его величина будет зависеть от механизмов рассеяния носителей заряда. Подсчитано, что при рассеянии на акустических колебаниях кристаллической решетки \textit{r }= 3$\pi$/8=1,18, а при рассеянии на примесных ионах \textit{r }= 1,93. При низких температурах (для Ge T $\mathrm{<}$ 250 K, для Si T~$\mathrm{<}$~100~K) обычно доминирует рассеяние носителей на ионах примесей, а при высоких температурах (для Ge и Si -- в том числе и при комнатной температуре) преобладает рассеяние на колебаниях решетки. | Поскольку $r$ определяется временем релаксации $\tau$, то его величина будет зависеть от механизмов рассеяния носителей заряда. Подсчитано, что при рассеянии на акустических колебаниях кристаллической решетки $r= \frac 38 \pi \approx 1,18,$ а при рассеянии на примесных ионах $r = 1,93.$ При низких температурах (для Ge $T < 250$ K, для Si $T < 100$ K) обычно доминирует рассеяние носителей на ионах примесей, а при высоких температурах (для Ge и Si --- в том числе и при комнатной температуре) преобладает рассеяние на колебаниях решетки. |
| |
| Как отмечалось выше, полученные нами результаты справедливы для случая слабого магнитного поля. Поскольку \textit{$\tau$ = $<$$\lambda$$>$/$<$v$>$}, то соотношение между длиной свободного пробега $\mathrm{<}$\textit{$\lambda$}$\mathrm{>}$ носителя заряда и радиусом его круговой орбиты в магнитном поле можно заменить на следующее: | Как отмечалось выше, полученные нами результаты справедливы для случая слабого магнитного поля. Поскольку $\tau = \frac{\langle \lambda \rangle}{\langle v\rangle}$, то соотношение между длиной свободного пробега $\langle \lambda \rangle$ носителя заряда и радиусом его круговой орбиты в магнитном поле можно заменить на следующее: |
| |
| $\tau <<T=2\pi /\omega _{c} $ -- для слабого поля, | $$ |
| | \tau \ll T=\frac{2\pi}{\omega _{c}} \mbox{ - для слабого поля,} |
| $\tau >>T=2\pi /\omega _{c} $ -- для сильного поля, \eqref{GrindEQ__48_} | $$ |
| | $$ |
| \noindent где \textit{T }-- период вращения частицы, \textit{$\omega$${}_{c}$} -- циклотронная частота (частота вращения носителя заряда по круговой траектории в магнитном поле с индукцией \textbf{В}). Поскольку $\omega \; \, =\, \; \frac{q\cdot B}{m^{*} } $, подставив \textit{$\omega$${}_{c}$} в \eqref{GrindEQ__48_}, получим: | \tau \gg T=\frac{2\pi}{\omega _{c}}$ \mbox{ - для сильного поля,} |
| | $$ |
| \noindent $\tau \omega _{c} /2\pi =uB/2\pi <<1$-- для слабого поля, | где $T$ --- период вращения частицы, $\omega _{c}$ --- циклотронная частота (частота вращения носителя заряда по круговой траектории в магнитном поле с индукцией $\vec В$). Поскольку $\omega = \frac{q\cdot B}{m^{*}}$, то подставив $\omega _{c}$ в выражение выше, получим: |
| | $$ |
| $\tau \omega _{c} /2\pi =uB/2\pi >>1$-- для сильного поля. \eqref{GrindEQ__49_} | \frac{\tau \omega _{c}}{2\pi} = \frac{uB}{2\pi} \ll 1 \mbox{ - для слабого поля, }$$ |
| | $$ |
| | \frac{\tau \omega _{c}}{2\pi} =\frac{uB}{2\pi} \gg 1 \mbox{ - для сильного поля. }$$ |
| |
| Приведенное определение сильного и слабого полей является классическим. Здесь не учитывается изменение энергетического спектра электрона в магнитном поле. | Приведенное определение сильного и слабого полей является классическим. Здесь не учитывается изменение энергетического спектра электрона в магнитном поле. |
| |
| | Назад к [[:lab4:подвижность|Подвижность и коэффициент диффузии носителей заряда в полупроводниках]], далее [[:lab4:приложение_41|Приложение 1. Эффект Холла в сильном магнитном поле (для дополнительного чтения)]] |