Квазиимпульс и эффективная масса носителей заряда. Эффективная масса Понятие эффективная масса в металлах
Live Journal
Facebook
TwitterРассмотрим движение электрона под действием внешнего электрического поля. В этом случае на электрон действует сила F , пропорциональная напряженности поля Е Э
F = – eЕ Э . (4.8)
Для свободного электрона эта сила является единственной, и основное уравнение динамики будет иметь вид
где J r – групповая скорость, т.е. скорость электрона.
Энергия электрона, как мы помним, определяется выражением
Если электрон движется в кристалле, то на него также действуют силы потенциального поля узлов решетки Е кр и уравнение (4.9) примет вид
. (4.11)
Несмотря на внешнюю простоту, уравнение (4.11) в общем виде не решается вследствие сложности и неоднозначности Е кр . Обычно применяют метод эффективной массы для описания движения электрона в поле кристалла. В этом случае уравнение (4.11) записывают в виде
где m * – эффективная масса электрона.
Иными словами, эффективная масса электрона учитывает влияние потенциального поля кристалла на этот электрон. Выражение (4.10) принимает вид
такой же, как и для энергии свободного электрона.
Рассмотрим свойства эффективной массы. Для этого вспомним выражение, определяющее групповую скорость J r =dE /dk , и подставим его в формулу для ускорения а
. (4.14)
Если учесть, что dk /dt =Е /ħ , то можно записать выражение для эффективной массы
Последнее выражение, впрочем, можно получить двукратным дифференцированием (4.13) по k . Подставляя (4.10) в (4.15), можно убедиться, что для свободного электрона m * =m .
Для электрона, находящегося в периодическом поле кристалла, энергия уже не является квадратичной функцией k , и поэтому эффективная масса электрона в общем случае является сложной функцией от k . Однако вблизи дна или потолка зоны, где выполняется квадратичная зависимость, эффективная масса перестает зависеть от k и становится постоянной. Если энергию электрона отсчитывать от экстремальной энергии, то можно записать для дна зоны выражение
E (k )=E min +Ak 2 , (4.16)
для потолка зоны, соответственно
E (k )=E max –Bk 2 , (4.17)
где A и B – коэффициенты пропорциональности.
Подставив (4.10) в выражение для эффективной массы (4.15), найдем ее значение вблизи дна зоны
m * =ħ 2 /2A . (4.18)
Поскольку ħ и A – величины положительные и постоянные, то и эффективная масса электрона вблизи дна зоны тоже постоянна и положительна, т.е. ускорение электрона происходит в направлении действующей силы. Однако сама величина эффективной массы может быть и больше, и меньше массы покоя электрона (прил. 2). Эффективная масса электрона существенно зависит от ширины энергетической зоны, где он находится. С увеличением энергии растут ширина запрещенной зоны и скорость перемещения электрона. Так, электроны широкой валентной зоны 3s имеют эффективную массу, практически равную массе покоя электрона. Напротив, электроны узкой зоны 1s имеют ничтожную скорость перемещения и эффективную массу, на много порядков превышающую массу покоя электрона.
Еще более необычно поведение эффективной массы вблизи потолка зоны. Подставив выражение (4.17) в (4.15), получим соотношение
m * =–ħ 2 /2B . (4.19)
Из полученного выражения следует, что эффективная масса электрона вблизи потолка зоны является величиной постоянной и отрицательной. Такой электрон ускоряется против направления действующей силы. Абсолютная величина эффективной массы также может сильно отличаться от массы покоя электрона.
Такое поведение эффективной массы объясняется тем, что движение электрона в кристалле происходит под действием не только силы внешнего электрического поля, но и под действием потенциального поля кристалла.
Если под действием ускоряющего поля происходит уменьшение взаимодействия электрона с решеткой, это вызывает увеличение кинетической энергии, т.е. скорости электрона. Внешне такое ускорение выглядит, как уменьшение массы электрона .
Возрастание эффективной массы электрона сверх массы покоя имеет причиной обратимый процесс перехода части энергии внешнего поля в потенциальную энергию взаимодействия электрона с решеткой. В этом случае его кинетическая энергия возрастает незначительно. Внешне это выглядит, как возрастание массы электрона .
Наконец, в кристалле возможна и такая ситуация, когда в потенциальную энергию взаимодействия переходит не только вся работа внешней силы, но и часть кинетической энергии. В этом случае под действием внешней силы скорость электрона будет не возрастать, а убывать. Отрицательному ускорению должна соответствовать и отрицательная масса электрона.
В завершение необходимо подчеркнуть, что эффективная масса не описывает инертных или гравитационных свойств электрона, но является удобным способом учитывать взаимодействие электрона и потенциального поля кристаллической решетки.
Состояние электрона, свободно движущегося в пространстве, как известно, можно охарактеризовать энергией Е и импульсом р. При этом связь между энергией и импульсом дается классической формулой
С другой стороны, согласно де Бройлю свободному электрону массы m 0 , движущемуся со скоростью, соответствует волна, длина которой может быть определена из соотношения
где h -- постоянная Планка. Так как волновое число k -- число волн, укладывающихся на длине 2р см, равно:
то импульс свободного электрона
а его энергия
где h=h/2р - квант действия.
Для электрона, движущегося в периодическом поле кристалла, можно ввести величину p = hk, называемую квазиимпульсом. В соответствии с дискретным спектром k квазиимпульс р также квантован. Согласно неравенствам (25) в кубической решетке квазиимпульс должен изменяться в пределах
Как следует из (25) , в энергетической зоне кристалла имеется N энергетических состояний, которым соответствуют значения компонент квазиимпульса
где i = х, у, z, а j = 1, 2, 3. Для кристалла с простой кубической решеткой согласно соотношениям (25) и (31) достаточно рассматривать изменение компонент k i и p i в пределах
Этим значениям квазиимпульса в системе координат (р х, р у, р z) будет соответствовать некоторая область, построенная вокруг начала координат и содержащая все возможные различные состояния. Эта область называется первой, или основной, зоной Бриллюэна. Для кристалла с простой кубической решеткой первая зона Бриллюэна представляет собой куб объемом
В k-пространстве первая зона Бриллюэна для кристалла с простой кубической решеткой также является кубом, объем которого
Первую зону Бриллюэна можно разбить на элементарные кубические ячейки объемом
где V = L 3 = a 3 N x N y N z = а 3 N -- объем кристалла, а N= N x N y N z - полное число элементарных ячеек в кристалле.
Поскольку объем первой зоны Бриллюэна для кристалла с простой кубической решеткой равен (h/а) 3 , а объем элементарной ячейки h 3 /a 3 N, то число элементарных ячеек в ней составляет N, т. е. равно количеству энергетических состояний в зоне. Но в энергетической зоне может располагаться 2N электронов, следовательно, и в первой зоне Бриллюэна может быть 2N электронов, а в ее каждой ячейке может находиться только два электрона с противоположно направленными спинами.
Вторая и последующие зоны Бриллюэна, соответствующие второй и последующим энергетическим зонам, имеют более сложную конфигурацию, но их объем остается постоянным. Они также содержат N элементарных ячеек, каждой из которых можно сопоставить ячейку в первой зоне, изображающую эквивалентное состояние.
Заполнение электронами квантовых состояний валентной зоны различно для металлов и полупроводников. В металлах зона заполнена электронами либо частично, либо в валентной зоне все возможные электронные состояния заняты, но эта зона перекрывается со свободной, не занятой электронами. Наличие свободных незанятых состояний в зоне дает возможность электронам двигаться в ней под действием внешнего поля и переносить электрический заряд. Таким образом, для того чтобы в твердом теле протекал электрический ток, в валентной зоне должны быть свободные состояния. В полупроводниках число возможных состояний в валентной зоне равно количеству валентных электронов атомов, образовавших кристалл. В этом случае при температуре 0 К все электронные состояния в зоне заняты, на каждом уровне зоны располагается по два электрода с противоположно направленными спинами. Поэтому внешнее электрическое поле не может создать направленного движения такой совокупности электронов, ибо в заполненной зоне электроны могут только взаимно обмениваться местами. Следовательно, такой кристалл не может проводить ток, он является диэлектриком.
Проанализируем энергетический спектр кристаллов, образованных из элементов IV группы таблицы Менделеева, обладающих кристаллической решеткой типа алмаза. В нее входят углерод (алмаз), кремний, германий и серое олово. Электронная структура этих атомов такова (см. рис. 1), что в твердом состоянии у них в образовании ковалентной связи принимают участие четыре электрона каждого атома. При этом, как следует из рис. 4, зоны, образованные из ns- и nр- состояний, перекрываются, образуя общую зону с числом состояний 8N. С уменьшением межатомного расстояния эта зона затем расщепляется на две зоны с 4N квантовыми состояниями в каждой. Нижняя зона содержит 4N заполненных электронами состояний -- это валентная зона, а у верхней зоны 4N электронных состояния свободны - это зона проводимости.
Найдем закон изменения квазиимпульса и волнового вектора от времени, то есть закон, который описывает движение электрона в кристалле при наличии внешнего электрического поля.
Как известно из квантовой механики, движение свободного электрона с волновым вектором k можно описать с помощью волнового пакета, представляющего собой суперпозицию плоских волн с непрерывно меняющимися значениями k в пределах 2Дk (от k-- Дk до k +Дk). Движение волнового пакета характеризуется групповой скоростью, которая равна скорости перемещения какой-либо точки пакета, например его максимума. Координату этого максимума можно найти из условия Отсюда следует, что
т. е. средняя скорость движения свободного электрона х равна групповой скорости волнового пакета:
Если воспользоваться соотношением для энергии Е = hщ, то средняя скорость свободного электрона будет определяться выражением вида
где р = hk - импульс.
Движение электрона в кристалле описывается волновой функцией (16), которая определяется набором атомных волновых функций с разным значением k. Поскольку, где n = 0, 1, . . . , (N--l), а и, то волновую функцию Ш можно рассматривать как совокупность плоских волн, для которых k меняется почти непрерывно. В силу этого движение электрона в кристалле можно охарактеризовать волновым пакетом, составленным из блоховских функций. Поэтому выражение (40) будет справедливо и для средней скорости движения электрона в кристалле
или для трехмерного случая
где р = hk -- квазиимпульс.
Таким образом, средняя скорость электрона в кристалле определяется производной энергии по квазиимпульсу.
Рассмотрим случай, когда на электрон в кристалле действует внешняя сила F. Пусть Е(k) - энергия электрона в зоне, в которой он движется со скоростью v. Тогда согласно закону сохранения энергии имеем для одномерного движения:
то из сравнения равенств (43) и (44) с учетом (42)
Рассмотрим теперь, как меняется импульс Р электрона кристалла в отсутствии внешнего поля. В кристалле с идеальной структурой, имеющей строго периодическое поле, электрон движется, оставаясь на одном и том же уровне зоны. Поскольку квазиимпульс электрона постоянен, то. Но со стороны поля решетки на электрон действует сила F кр, она и определяет изменение его импульса Р, т.е.
Итак, если структура кристаллической решетки идеальна, то в периодическом поле решетки электрон движется вдоль всего кристалла, имея постоянный квазиимпульс и постоянную скорость. Это значит, что в периодическом поле решетки электрон движется без ускорения. Другими словами, в строго периодическом поле решетки электрон движется как свободная частица, без сопротивления, не рассеиваясь. Если кристалл с идеальной структурой поместить во внешнее поле, то, как следует из (45), движение электрона будет подобно движению свободной частицы под действием внешней силы F.
Пусть свободный электрон с массой m 0 находится в однородном электрическом поле Е. . а электрон действует сила F=-eE, под воздействием которой электрон приобретает ускорение
направленное также, как и внешняя сила.
Для электрона в кристалле, находящемся во внешнем электрическом поле, учитывая (41) и (45), можно записать:
Обобщая (48) для трехмерного случая, получаем:
В этом случае вектор ускорения а не совпадает по направлению с вектором силы F.
Совокупность величин, связывающих векторы а и F, является тензором второго ранга:
Поскольку размерность квазиимпульса совпадает с размерностью импульса, то размерность компонент тензора есть размерность обратной массы, а размерность есть размерность массы. Поэтому по аналогии с (47) для свободного электрона тензор (50) называется тензором обратной эффективной массы. Этот тензор симметричен относительно главной диагонали, т.к. . Выбрав соответствующую систему координат, можно свести симметричный тензор к диагональному виду:
Тогда тензором, обратным тензору обратной эффективной массы, будет тензор эффективной массы
Величины называются компонентами тензора эффективной массы. Для кристаллов, обладающих кубической симметрией, m 1 =m 2 =m 3 =m * и тензор вырождается в скаляр. В этом случае изоэнергетические поверхности представляют сферы и описываются уравнением
а выражение для эффективной массы имеет вид
Когда электрон находится в окрестности минимума энергии, т.е. в окрестности дна зоны проводимости,
и m*>0, (54)
т.е. электроны ведут себя как отрицательно заряженные частицы с положительной эффективной массой. При этом согласно (48) и (53) получаем F=m * a и p=mv , т.е. ускорение направлено по направлению внешней силы, а скорость совпадает по направлению с квазиимпульсом. Следовательно, под действием внешнего электрического поля движение электрона, находящегося у дна энергетической зоны кубического кристалла, подобно движению свободной частицы, масса которой равна m*. Ускорение электрону в кристалле сообщает только внешняя сила. Действие поля решетки проявляется в том, что при наличии внешней силы движение электрона определяется не его обычной массой, а эффективной.
В окрестности максимума энергии, т.е. в окрестности валентной зоны,
и направление ускорения электрона противоположно направлению действующей на него внешней силы и направлено по полю. Такой носитель заряда в окрестности вершины валентной зоны себя как частица с положительным зарядом и положительной эффективной массой и носит название дырки.
В качестве примера рассмотрим зонную структуру кремния. Поскольку зона проводимости и валентная зона кремния включают р-состояние (рис.4), для которого в кристалле вырождение снимается, то каждая из них представляет собой наложение трех различных зон. На рис.5 они представлены тремя ветвями Е(k). Эта зависимость неодинакова для разных кристаллографических направлений. Одна из ветвей зоны проводимости лежит значительно ниже других. Положение абсолютного минимума энергии определяет дно зоны проводимости. Минимумы энергии называют также долинами. Абсолютный минимум зоны проводимости у кремния лежит в направлении осей недалеко от границы зоны Бриллюэна. Поэтому у кремния имеется шесть эквивалентных минимумов энергии, а следовательно на первую зону Бриллюэна приходится шесть эллипсоидальных поверхностей постоянной энергии, вытянутых вдоль осей . Значения компонент тензора эффективной массы электрона m 1 =m 2 =m t и m 3 =m l , где m t и m l поперек осей симметрии и вдоль оси вращения эллипсоида, и называются соответственно продольной и поперечной эффективными массами. Минимальное расстояние между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны называется шириной запрещенной зоны. У кремния экстремумы энергии электронов и дырок лежат в различных точках зоны Бриллюэна. Валентная зона также состоит из трех подзон, для всех максимумы находятся в центре зоны Бриллюэна k=0. Изоэнергетические поверхности представляют собой гофрированные поверхности.
Рис.5
Рис 6. Температурная зависимость концентрации электронов в кремнии при концентрации доноров 10 15 см -3 .
Усреднение по различным направлениям в к-пространстве позволяет заменить гофрированную поверхность сферической. В этом случае эффективная масса является скалярной величиной и должно существовать два типа дырок: тяжелые и легкие.
Эффективная масса носителей заряда
Выше было показано, что энергия электрона, перемещающегося внутри кристалла в виде волнового пакета, определяется из выражения (1.24)
W = ( k ) 2 / 2 m *,
где, как и преждеW -энергия электрона, Дж; k - значение волнового числа, м -1 ; - постоянная Дирака, а величина m * имеет смысл эффективной массы электрона.
Исходя из корпускулярных представлений эффективная масса - это масса заряженной частицы, движущейся внутри кристалла.
Дважды продифференцируем выражение (1.22) по значению волнового числа k :
Из второго выражения следует, что эффективную массу носителей заряда в кристалле можно рассчитать из выражения
Кг .(1.31)
Из выражения (1.31) следует, что эффективная масса электрона определяется значением второй производной функции W=f (k ).
В качестве примера рассчитаем по формуле (1.31)эффективную массу свободного электрона, когда зависимость энергии эле ктрона от волнового вектора выражается параболической зависимостью вида (1.22). Поскольку d 2 W/d k 2 = /m , то подстановка этой величины в (5.8) дает m*=m . Следовательно, эффективная масса свободного электрона равнаего массе покоя.
Понятие эффективной массы носителей заряда значительно упрощает математическое описание движения носителей в потенциальном поле кристаллической решетки.
Дифференцируя значение W в выражении (1.22) мы получили, что dW /dk =k /m * . Из уравнения (1.20) следует, что групповая скорость v е волнового пакета, обладающего квазиимпульсом P=m*v е , при его движениив периодическом поле кристаллической решеткиопределяетсясоотношением
, м
/с,(1.32)
Оценим величину v е . Для этого из выражения (1.26) рассчитаем максимальное значение волнового числаk электронов в кремнии, которое при значении параметра кристаллической решетки кремния a Si =0,543 нм составляет 6 × 10 9 м -1 .В этом случае из соотношения (1.32) для скорости электрона v е получим величину около 6 × 10 5 м/с .
На рис. 1.19, а представлена зависимость W (k ) для нижней энергетической зоны в пределах первой зоны Бриллюэна , построенная в соответствии с выражением (1.28). Энергия электрона вблизи дна зоны проводимости (при ka <<1) определяется путем разложения функции cos (ka ) в ряд Маклорена : cos (ka ) 1-(ka ) 2 /2!+..., откуда из формулы (1.28) следует, что
W (k ) W о + (g a 2 k 2)/2=W мин +А k 2 ,(1.33)
где W мин - минимальное значение энергии при k=0; А =(g a 2)/2 - постоянная .
График кривой (1.33) является квадратичной параболой.
Подставляя результат дифференцирования дисперсионной кривой (1.33) по k в формулу (1.32), получим, что вблизи дна и в средней части зоны значение групповой скорости электрона определяется выражением v e = g ka 2 / , то естьлинейно зависит от изменения волнового числа k (рис. 1.19, б ).
Рассмотрим теперь зависимость эффективной массы от волнового числа для электрона, находящегося в периодической одномерной решетке (рис. 1.19, в .).
Для эффективной массы электрона в соответствии с формулой (1.31) получим выражение m* = /g a 2 . Следовательно, вблизи дна и в средней части разрешенной зоны эффективная масса электрона является постоянной и положительной величиной . Заметим, что при возрастании ширины разрешенной зоны(что происходит с увеличением параметра g) эффективная масса электрона уменьшается, а скорость электрона v е увеличивается.
Вблизи границ первой зоны Бриллюэна скорость электронов v e проходит через максимум, а на границах зоны (k= p /a ) становится равной нулю (рис. 1.19, б ), что соответствует остановке и отражению электрона. Поэтому вблизи границы зоны Бриллюэна значение эффективной массы электрона возрастает до бесконечности, а функция m * (k ) претерпевает разрыв и меняет знак на отрицательный (рис. 1.19, в ). Таким образом, эффективная масса электрона вблизи потолка разрешенной зоны является отрицательной величиной, т. е. m * <0.
В таблице 1.4. приведены значения эффективных масс электронов и дырок в различных полупроводниковых материалах.
|
Таблица 1.4 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Полупроводник |
GaAs |
In Sb |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Эффективная масса электронов, |
1 , 0 6m 0 |
). Эффективная масса электрона в кристалле, вообще говоря, отлична от массы электрона в вакууме. Энциклопедичный YouTube1 / 5 ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ МАССА [Новости науки и технологий] Электрические газонокосилки из Германии -Wolf Garten Самый полезный товар!!! Инвертор Дніпро-М САБ-260ДПА FAQ: Как выбрать печь, длительного горения, для отопления помещения от 100 до 150 кубов? СубтитрыСегодня в выпуске: учёные разработали прибор, извлекающий воду из сухого воздуха, а физики из США создали вещество с отрицательной эффективной массой. Всем вечного здравия! С вами Александр Смирнов, Правильная Правда и Новости науки и технологий. Проблема доступа к воде становится все более острой для Земли - по оценкам ООН, к 2025 году она коснется более 14% жителей нашей планеты. На сегодняшний день существуют множество методов опреснения морской воды, но эти технологии имеют два главных недостатка – они или очень дороги и энергозатратны, или же системы очистки быстро засоряются и приходят в негодность. Таким образом, данная технология становится экономически нецелесообразной. Что же делать? Американские ученые из Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли придумали устройство, которое может добывать воду прямо из воздуха. Прототип, созданный учеными, работает даже в условиях пустыни и в конечном итоге может обеспечить домашние хозяйства чистой питьевой водой, в которой они так нуждаются - путем извлечения влаги из окружающей атмосферы. Нельзя выжать сок из камня, а вот добыть воду из пустынного неба вполне возможно, и все благодаря новому устройству, которое использует солнечный свет для всасывания водного пара из воздуха даже при низкой влажности. Прибор назвали солнечным хАрвестером (solar-powered harvester). Он работает на солнечных батареях. Устройство может давать воду при относительной влажности воздуха в 20%. При создании устройства были использованы металлорганические соединения (МОС). Они представляют собой сложные полимерные материалы, похожие по структуре на пчелиные соты и обладающие очень высокой пористостью и прочностью. Сегодня они используются для создания фильтров, способных улавливать углекислоту или водород и удерживать в себе огромные количества этих газов. В случае с данным хАрвестером применялись МОС с цирконием и адипиновой кислотой, которая связывала водяной шар. Эта структура была измельчена до состояния пыли. Работает он крайне примитивно – "песок" из частиц МОК поглощает воду из воздуха, а свет и тепло Солнца, направляемые на него системой зеркал, заставляют пары воды покинуть их и сконденсироваться в сосуде, подключенном к этому опреснителю. Решетчатая структура полимера захватывает молекулы водяного пара, содержащиеся в воздухе, а солнечный свет, проникающий через окошко, нагревает МОК и направляет связанную с ним влагу к конденсатору, имеющему температуру наружного воздуха. Именно он окончательно превращает пар в жидкую воду, которая капает в коллектор. Подобное устройство, содержащее в себе килограмм МОК, может вырабатывать около трех литров воды за полдня даже из достаточно сухого воздуха с 20-30% влажности. В принципе, этого хватает для того, чтобы обеспечить человека необходимым количеством питьевой воды на сутки. Стоит отметить, что установке еще есть куда расти. Во-первых, цирконий стоит 150 долларов за килограмм, что делает устройства для сбора воды слишком дорогими, чтобы его можно было массово производить и продавать за скромную сумму. Впрочем, ученые утверждают, что уже успешно спроектировали водосборный аппарат, в котором цирконий заменен в 100 раз более дешевым алюминием. Это может сделать будущие водосборщики пригодными не только для утоления жажды людей в засушливых районах, но, возможно, даже для снабжения водой фермеров в пустыне. Эта работа предлагает новый способ сбора воды из воздуха, которому не требуется высокая относительная влажность, и он гораздо более энергоэффективен, чем другие существующие технологии. Команда ученых планирует улучшить харвестер, чтобы он мог всасывать гораздо больше воздуха и производить больше воды. Созданный ими прототип поглощает воду лишь на 20% составляющую его собственный вес, однако теоретически этот показатель можно повысить до 40%. Также физики собираются сделать прибор более эффективным в условиях повышенной и пониженной влажности. Ученые хотели продемонстрировать, что если человек застрянет где-то в пустыне, то сможет выжить с помощью этого устройства. Человеку требуется около банки из-под колы воды в день. С помощью этой системы её можно собрать менее чем за час. Получать воду из воздуха также можно с помощью ветряных турбин и наземных фильтрующих установок. Но в отличие от разработки американских ученых, эти системы вырабатывают воду за счет образования конденсата, поэтому они малоэффективны в условиях засушливого климата. Отличное дело. Если удастся довести до промышленного производства, то это позволит решить проблему питьевой воды не только в засушливых местах на Земле, но даже на Марсе, конечно, если она сохранилась в ошметках его атмосферы. Но сам по себе прибор отличный, который фактически делает из воздуха и воду, и деньги. А если установить вечером в пятницу в каком-нибудь баре, то можно собрать коктейль. Еще бы такое устройство еду добывать научилось… В любом случае, поздравляем ученых и ждем когда завезут на Алиекспресс. Представьте себе некий предмет – ручку, телефон, ластик. Теперь мысленно надавите на него пальцем. Если вы давите достаточно сильно, то предмет сдвинется с места по направлению приложенного давления. В соответствии с физикой Ньютона ускорение тела по направлению совпадает с приложенной к нему силой и обратно пропорционально массе. Однако в микромире этот закон не всегда действует. Учёные из Вашингтонского государственного университета объявили, что сумели создать вещество с отрицательной массой. В теоретической физике, отрицательная масса - это концепция о гипотетическом веществе, масса которого имеет противоположное значение массе нормального вещества (также как электрический заряд бывает положительный и отрицательный). Например, −2 кг. Такое вещество, если бы оно существовало, нарушало бы одно или несколько энергетических условий и проявляло бы некоторые странные свойства. По некоторым спекулятивным теориям, вещество с отрицательной массой можно использовать для создания червоточин (кротовых нор) в пространстве-времени. Звучит как абсолютная фантастика, но сейчас группе физиков из Университета штата Вашингтон, Вашингтонского университета, Университета OIST (Окинава, Япония) и Шанхайского университета удалось получить вещество, которое проявляет некоторые свойства гипотетического материала с отрицательной массой. Например, если толкнуть это вещество, то оно ускорится не в направлении приложения силы, а в обратном направлении. То есть оно ускоряется в обратную сторону. Для создания вещества со свойствами отрицательной массы учёные подготовили конденсат Бозе - Эйнштейна. В этом состоянии частицы двигаются исключительно медленно, а квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. То есть в соответствии с принципами квантовой механики частицы начинают вести себя как волны. Например, они синхронизируются между собой и протекают через капилляры без трения, то есть не теряя энергии - эффект так называемой сверхтекучести. В нашем случае экспериментаторы поместили полученный конденсат в удерживающее его поле. Частицы замедлили лазером и дождались, когда наиболее энергичные из них покинули объём, что ещё больше охладило материал. В «чашечке» диаметром около 100 микрон микрокапелька вела себя как обычное вещество с положительной массой. При нарушении герметичности сосуда атомы рубидия разлетелись бы в разные стороны, поскольку центральные атомы выталкивали бы крайние атомы наружу, а те ускорялись бы в направлении приложения силы. Для создания отрицательной эффективной массы физики применили другой набор лазеров, который изменял спин части атомов, при этом частицы конденсата, преодолев энергетический барьер, покинули «чашку» в обратном направлении. Таким образом физикам удалось математически выполнить условие второго закона Ньютона – тело, на которое действует сила, приобретает ускорение в направлении навстречу этой силе, а не в противоположную сторону, как обычно, т. е. ведет себя так, как будто мы имеем дело с отрицательной массой. Правда, сам этот закон в квантовом мире не действует, да и участники эксперимента в своей статье в пишут об отрицательной эффективной массе, что не совсем то же самое. Тем не менее, поставленный опыт и его результаты дают почву для размышлений о мироздании и материи в нем. Физические теории не видят ничего невозможного в существовании отрицательных масс и даже пытаются с их помощью объяснить некоторые аспекты видимого мира, в частности события, происходящие в недрах черных дыр или нейтронных звезд. Вообще, в голове с трудом укладывается даже определение отрицательной массы. Наверное, потому что речь идет про эффективную массу - фактически, виртуальный параметр. Сами по себе частицы обычные, но ученые создали условия, в которых эти частицы стали частицами с отрицательной массой. Как кредит с отрицательной ставкой. Депозит называется. А ещё есть социальная отрицательная масса. Если тебе холодно и ты хочешь обнимашек, тебя посылают в обратную сторону. Тем не менее, надеюсь, что данной исследование приблизит учёных к созданию гравицапы. Всем спасибо за просмотр! С вами был Александр Смирнов, Правильная Правда и Новости науки и технологий. Не забывайте ставить Любо данному синематографу, подписываться на канал, а также делиться видео с друзьями. Лехаим, бояре! ОпределениеЭффективная масса определяется из аналогии со вторым законом Ньютона F → = m a → . {\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}.} С помощью квантовой механики можно показать, что для электрона во внешнем электрическом поле E → {\displaystyle {\vec {E}}} a → = q ℏ 2 ⋅ d 2 ε d k 2 E → , {\displaystyle {\vec {a}}={{q} \over {\hbar ^{2}}}\cdot {{d^{2}\varepsilon } \over {dk^{2}}}{\vec {E}},}где a → {\displaystyle {\vec {a}}} - ускорение, q - заряд частицы, ℏ {\displaystyle \hbar } - редуцированная постоянная Планка , - волновой вектор , который определяется из импульса как k → = p → / ℏ , {\displaystyle {\vec {k}}={\vec {p}}/\hbar ,} энергия частицы ε (k) {\displaystyle \varepsilon (k)} связана с волновым вектором k {\displaystyle k} законом дисперсии . В присутствии электрического поля на электрон действует сила F → = q E → . {\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}.} . Отсюда можно получить выражение для эффективной массы m ∗ : {\displaystyle m^{*}:} m ∗ = ℏ 2 ⋅ [ d 2 ε d k 2 ] − 1 . {\displaystyle m^{*}=\hbar ^{2}\cdot \left[{{d^{2}\varepsilon } \over {dk^{2}}}\right]^{-1}.}Для свободной частицы закон дисперсии квадратичен, и таким образом эффективная масса является постоянной и равной массе покоя. В кристалле ситуация более сложна и закон дисперсии отличается от квадратичного. В этом случае использовать понятие массы можно только вблизи экстремумов кривой закона дисперсии, где эта функция может быть аппроксимирована параболой и, следовательно, эффективная масса не зависит от энергии. Эффективная масса зависит от направления в кристалле и является в общем случае тензором. Те́нзор эффекти́вной ма́ссы - термин физики твёрдого тела , характеризующий сложную природу эффективной массы квазичастицы (электрона , дырки) в твёрдом теле. Тензорная природа эффективной массы иллюстрирует тот факт, что в кристаллической решётке электрон движется не как частица с массой покоя , а как квазичастица, у которой масса зависит от направления движения относительно кристаллографических осей кристалла. Эффективная масса вводится, когда имеется параболический закон дисперсии , иначе масса начинает зависеть от энергии. В связи с этим возможна отрицательная эффективная масса . По определению эффективную массу находят из закона дисперсии ε = ε (k →) {\displaystyle \varepsilon =\varepsilon ({\vec {k}})} m i j − 1 = 1 ℏ 2 k ∂ ε ∂ k δ i j + 1 ℏ 2 (∂ 2 ε ∂ k 2 − 1 k ∂ ε ∂ k) k i k j k 2 , (1) {\displaystyle m_{ij}^{-1}={\frac {1}{\hbar ^{2}k}}{\frac {\partial \varepsilon }{\partial k}}\delta _{ij}+{\frac {1}{\hbar ^{2}}}\left({\frac {\partial ^{2}\varepsilon }{\partial k^{2}}}-{\frac {1}{k}}{\frac {\partial \varepsilon }{\partial k}}\right){\frac {k_{i}k_{j}}{k^{2}}},\qquad (1)}где k → {\displaystyle {\vec {k}}} - волновой вектор , δ i j {\displaystyle \delta _{ij}} - символ Кронекера , ℏ {\displaystyle \hbar } - постоянная Планка . Эффективная масса для некоторых полупроводниковВ нижеприведённой таблице указана эффективная масса электронов и дырок для полупроводников - простых веществ IV группы и бинарных соединений 2.1. Движение электронов в периодическом поле кристалла. Уравнение Шредингера для кристалла В первой главе обсуждалось квантово-механическое описание свободных микрочастиц или частиц, находящихся во внешнем силовом поле. Однако основные успехи квантовой механики связаны с изучением систем взаимодействующих микрочастиц (электронов, ядер, атомов, молекул), из которых состоит вещество. В этой главе мы применим квантовую механику к описанию поведения электронов в твердых кристаллических телах, рассматривая кристалл как систему микрочастиц. В общем случае эта задача требует решения уравнения Шредингера для системы частиц (электронов и ядер), образующих кристалл. В этом уравнении необходимо учесть кинетическую энергию всех электронов и ядер, потенциальную энергию взаимодействия электронов между собой, ядер между собой, электронов с ядрами. Понятно, что в общем виде решение такого уравнения не представляется возможным, поскольку оно содержит порядка 10 22 переменных. Поэтому задачи, связанные с поведением электронов в кристалле, решаются при некоторых упрощающих допущениях (приближениях), правомерность которых определяется конкретными свойствами кристалла. Рассмотрим основные из этих допущений. Адиабатическое приближение . В этом приближении предполагается, что электроны движутся в поле неподвижных ядер. Под ядрами здесь подразумевают собственно ядра атомов со всеми электронам, исключая валентные. Правомерность этого допущения определяется тем, что скорости электронов приблизительно на два порядка больше, чем скорости ядер, поэтому для любой, даже неравновесной конфигурации ядер всегда будет успевать устанавливаться соответствующее ей электронное равновесие. В этом представлении исключается обмен энергией между электронной и ядерной системами, поэтому это приближение называется адиабатическим. Естественно, что в адиабатическом приближении нельзя рассматривать такие явления, как диффузия, ионная проводимость и др., связанные с движением атомов или ионов. Одноэлектронное приближение. В этом приближении вместо взаимодействия данного электрона с остальными электронами и ядрами по отдельности рассматривают его движение в некотором результирующем усредненном поле остальных электронов и ядер. Такое поле называют самосогласованным . В одноэлектронном приближении, таким образом, задача сводится к независимому описанию каждого электрона в среднем внешнем поле с потенциальной энергией U (r ). Вид функции U (r ) определяется свойствами симметрии кристалла. Основное свойство самосогласованного поля заключается в том, что оно имеет тот же период, что и поле ядер. Таким образом, адиабатическое и одноэлектронное приближение приводит к задаче движения электрона в некотором периодическом потенциальном поле, имеющем период, равный постоянной решетки кристалла. Уравнение Шредингера в этом случае будет иметь вид . (2.1) Здесь y (r ) - волновая функция электрона , D - оператор Лапласа , m e - масса электрона, Е - энергия электрона в кристалле. Следующие два допущения связаны с невозможностью точно определить вид функции U (r ). Поэтому обычно при описании свойств электронов в кристалле рассматривают два предельных случая взаимодействия электронов с решеткой. Приближение слабой связи . В этом приближении электроны в кристалле рассматривают как почти свободные частицы, на движение которых оказывает слабое возмущение поле кристаллической решетки. Данное допущение применимо, когда потенциальная энергия взаимодействия электрона с решеткой много меньше его кинетической энергии. Такой подход, который иногда называют "приближением почти свободных электронов ", позволяет получить решение некоторых задач, связанных с поведением валентных электронов в металлах. В полупроводниках более приемлемым для анализа их физических свойств является приближение сильной связи . В этом приближении состояние электрона в кристалле мало отличается от его состояния в изолированном атоме. Приближение сильной связи применимо, когда потенциальная энергия электрона значительно больше его кинетической энергии. Характерным для обоих приближений слабой и сильной связи является то, что оба они приводят к фундаментальному свойству энергетического распределения электронов в кристалле - возникновению разрешенных и запрещенных энергетических зон. 2.2. Энергетические зоны в приближении сильной связи Несмотря на то, что применим для электронов глубоких энергетических уровней, он хорошо иллюстрирует общие закономерности образования энергетических зон при сближении изолированных атомов и образования из них кристаллической решетки. Рассмотрим качественно картину возникновения энергетических зон на примере образования кристаллической решетки из изолированных атомов натрия. Электронная структура Na 11 (1s 2 2s 2 2p 6 3s): всего в атоме 11 электронов, по два электрона на 1s и 2s уровнях, 6 электронов на уровне 2р, последний заполненный уровень в атоме натрия - 3s, на котором находится один валентный электрон. Поскольку в приближении сильной связи предполагается, что состояние электрона в кристалле незначительно отличается от его состояния в изолированном атоме, будем в оценке влияния на это состояние кристаллического поля соседних атомов исходить из энергетической структуры изолированного атома. На рис. 2.1,а показаны схематически энергетические уровни и распределение электронов на них для атомов натрия, находящихся на достаточно большом расстоянии друг от друга так, что потенциальные кривые электронов не перекрываются (взаимодействие между атомами пренебрежимо мало). Состояния электронов в этом случае описываются волновыми функциями изолированного атома, разрешенные уровни энергии дискретны и определяются квантовыми числами n , l , m - главным, орбитальным, магнитным соответственно. На каждом невырожденном по энергии уровне могут находиться с учетом спина по два электрона, а на каждом вырожденном по орбитальному квантовому числу уровне 2(2l +1) электронов. Сблизим теперь эти атомы на расстояние, равное параметру кристаллической решетки натрия (рис. 2.1,б). Взаимодействие с соседними атомами будет оказывать влияние на первоначальные атомные энергетические уровни. В приближении сильной связи предполагается, что потенциальная энергия электрона в кристалле U (r ) может быть представлена суммой где U a - потенциальная энергия электрона в изолированном атоме; D U (r ) - поправка, учитывающая влияние соседних атомов. Предполагается, что соседние атомы оказывают слабое возмущение на U a (D U (r ) << U a ). Пренебрежение поправкой D U (r ) приводит к уравнению Шредингера для изолированного атома. Поскольку в кристалле каждый уровень изолированного атома повторяется N раз, то он становится N-кратно вырожденным. Известно, что электрическое поле снимает вырождение и каждый уровень изолированного атома расщепляется на N близко расположенных (по значениям энергии) энергетических уровней. Здесь имеется аналогия со связанными осцилляторами. Если мы имеем два не связанных между собой каким-либо взаимодействием совершенно одинаковых осциллятора (математические маятники, электрические колебательные контуры и др.), то частоты их собственных колебаний совпадают. Взаимодействие между осцилляторами приводит к расщеплению одной частоты на две близкие частоты (при условии, что энергия взаимодействия между осцилляторами много меньше энергии собственных колебаний). Для N связанных между собой осцилляторов получим полосу из N близко расположенных частот. Аналогичный результат получается для системы взаимодействующих атомов. Число энергетических уровней, на которые расщепляется каждый энергетический уровень изолированного атома, равно числу атомов в кристалле. Величина расщепления тем больше, чем сильнее взаимодействие между атомами, т.е. чем меньше расстояние между ними. На рис. 2.2 показано схематически расщепление двух энергетических уровней атома под воздействием полей соседних атомов. Схема приведена для восьми атомов. Решение уравнения Шредингера в приближении сильной связи приводит к следующему выражению для энергии электрона в периодическом поле трехмерной кубической решетки , (2.3) здесь C - некоторая постоянная величина, которая может принимать положительные и отрицательные значения; А - обменный интеграл, зависящий от перекрытия волновых функций атомов; k x , k y , k z - компоненты волнового вектора электрона; а - параметр решетки кристалла. Экстремальные значения энергии электрона Е имеют место при cosk i a = ± 1 (i = x, y, z ) и определяют ширину энергетической зоны, образованной расщепленным уровнем изолированного атома. Для простой кубической решетки ширина энергетической зоны D E = 12A . Ширина энергетической зоны для более высоких уровней больше, т.к. для этих состояний электронов сильнее перекрываются волновые функции электронов и, следовательно, больше обменный интеграл А . Середина зоны сдвинута относительно положения энергетического уровня изолированного атома на величину С . Направление смещения зависит от знака С . Энергетические зоны в общем случае разделены интервалами энергии D E g , называемыми запрещенными зонами . Иногда энергетические зоны могут перекрываться. В реальных кристаллах размером приблизительно 1 см 3 содержится ~ 10 22 атомов. Ширина энергетической зоны обычно ~1 эВ. В этом случае расстояние между уровнями в зоне составляет ~ 10 -22 эВ. Следовательно, спектр электронов в пределах энергетической зоны можно считать практически непрерывным. 2.3. Общие свойства волновой функции электрона в периодическом потенциале. Теорема Блоха Для точного решения в одноэлектронном приближении задачи о движении электрона в кристалле необходимо решить уравнение Шредингера вида (2.1), где потенциал U (r ) имеет периодичность кристаллической решетки, т.е. здесь R - любой вектор прямой кристаллической решетки. Необходимость решения квантово-механической задачи связана с тем, что длина волны де Бройля электрона по порядку величины совпадает с периодом потенциала U (~ 10 -8 cм). Можно получить некоторые общие свойства волновой функции электрона в кристалле, используя только свойство периодичности потенциала кристаллического поля, не решая уравнения Шредингера. Мы будем рассматривать здесь идеализированный случай гипотетического кристалла с абсолютно идеальной периодичностью потенциала. Типичный вид потенциала вдоль линии, соединяющей цепочку атомов (одномерный случай) мы получили ранее, анализируя качественно влияние взаимодействия атомов на спектр электронов при сближении изолированных атомов (рис. 2.1,б). Точное определение функции U (r ) является очень сложной задачей. Фундаментальные свойства волновой функции стационарного состояния определяются теоремой Блоха : собственные функции стационарного волнового уравнения с периодическим потенциалом имеют вид произведения функции плоской волны на функцию с периодичностью потенциала: Индекс k у волновой функции указывает на то, что эта функция зависит от волнового числа. Появление индекса n связано с тем, что при фиксированных значениях k волновая функция не одинакова для электронов различных зон, образовавшихся из атомных уровней, n часто называют номером зоны. Множитель u n ,k (r ) называют блоховским множителем . Он учитывает влияние кристаллического поля и отражает тот факт, что вероятность нахождения электрона в той или иной области кристалла повторяется от ячейки к ячейке. Схематическое изображение электронных волновых функций, представленных в теореме Блоха, показано для одномерного случая на рис.2.3. Вверху (рис. 2.3,а) представлен потенциал U (x ) вдоль цепочки атомов. Ниже (рис. 2.3,б) приведен пример собственной функции (ее действительной части). Эта функция равна произведению блоховского множителя u (x ), имеющего периодичность решетки (рис. 2.3,в) и волновой функции свободного электрона в виде плоской волны (рис. 2.3,г), длина которой определяется волновым числом k . Представление волновой функции в виде (2.4) может быть сделано различными способами. Покажем это для одномерного случая. Одномерная волновая функция по теореме Блоха может быть записана в виде Домножим и разделим правую часть равенства (2.5) на функцию , где а - параметр решетки. Тогда получим В квадратных скобках формулы (2.6) стоит функция, удовлетворяющая требованиям теоремы Блоха: она является периодической с периодом а, т.к. равна произведению двух периодических функций с тем же периодом. Функция описывает плоскую волну, но с другим волновым вектором, отличающимся на величину . Таким образом, одно и то же стационарное состояние электрона в кристаллическом периодическом поле может быть описано как волновой функцией с волновым числом k , так и волновой функцией с волновым числом и другим блоховским множителем. Аналогичные результаты получатся, если k изменить на величину , где n - любое целое число. Для одномерной цепочки атомов величина совпадает с размером первой зоны Бриллюэна в обратном пространстве. Если ограничиться рассмотрением волновых чисел в пределах первой зоны Бриллюэна, т.е. в интервале от до , то этот набор k исчерпает все физически различные значения волновых чисел в кристалле. 2.4. Модель Кронига-Пенни Теорема Блоха позволяет аналитически решить задачу об электроне в периодическом поле кристаллической решетки в приближении слабой связи при некоторых упрощающих предположениях. Основная трудность в решении уравнения (2.1) связана с невозможностью точно записать вид функции U (r ). Поэтому часто периодическую зависимость функции U (r ) заменяют более простой функцией с точно таким же периодом. В модели Кронига-Пенни ограничиваются рассмотрением одномерной задачи, в которой периодический потенциал заменяется цепочкой прямоугольных потенциальных ям (рис. 2.4). Ширина каждой ямы а , они отделены друг от друга прямоугольными потенциальными барьерами высотой U 0 и шириной b . Период повторения ям с = а + b . Стационарное уравнение Шредингера будет иметь в этом случае вид Начало системы координат (точку х = 0) выберем так, чтобы она совпадала с левым краем потенциальной ямы, как это показано на рис. 2.4,б. Tогда потенциальная функция В соответствии с теоремой Блоха волновая функция электрона y (x ) может быть представлена в виде Индексы n и k упущены для простоты записи. Функция u (x ) (блоховский множитель) имеет период c Подставляя (2.9) в уравнение (2.7), получим дифференциальное уравнение для блоховского множителя (2.10a) для электронов, находящихся внутри потенциальных ям, и (2.10б) для электронов, находящихся вне потенциальных ям. В этих уравнениях E k - кинетическая энергия электрона Общее решение уравнения (2.10а) для электронов внутри потенциальных ям может быть записано в виде , (2.11а) где a - некоторый параметр, который может быть найден подстановкой решения в виде (2.11а) в исходное уравнение (2.10а). Эта подстановка приводит к следующему значению a : В области вне потенциальных ям при условии, что высота потенциального барьера U 0 выше полной энергии электрона Е , решение уравнения (2.10б) имеет вид , (2.11б) где
Постоянные A , B , C и D в формулах (2.11а) и (2.11б) находятся как обычно из граничных условий. Граничные условия требуют, чтобы функция u (x ) и ее первая производная в местах скачков потенциала, т. е. на стенках потенциальных ям, были непрерывны. Эти требования приводят к следующей системе уравнений: Система уравнений (2.12) после подстановки в нее функций и , согласно равенствам (2.10а) и (2.10б), преобразуется в систему линейных однородных алгебраических уравнений, в которых неизвестными являются коэффициенты A , B , C и D . Определитель этой системы будет равен нулю (только при этом условии система линейных однородных уравнений имеет отличные от нуля решения), если выполняется следующее равенство: . (2.13) Выражение (2.13) можно значительно упростить, если допустить, что
ширина барьера стремится к нулю
, а его высота - к бесконечности
, но таким образом, чтобы произведение U 0 b
оставалось постоянным
где Поскольку a - параметр, определяемый энергией Е электрона, а k - волновой вектор электрона, то выражение (2.14) представляет зависимость E(k) , т. е. дисперсионное соотношение для электрона в кристаллической решетке. Это дисперсионное соотношение можно записать в явном виде, решив уравнение (2.14) относительно a при фиксированном значении параметра p. 2.5. Энергетические зоны в модели Кронига-Пенни Найдем в явном виде дисперсионное соотношение для электрона в периодическом кристаллическом поле. Исследуя выражение (2.14) находим, что волновое число k может быть вещественным только при условии, что значения левой части этого равенства находятся в интервале от -1 до +1. Зависимость левой части уравнения (2.14) от a для параметра p = 2 приведен на рис. 2.5. Заштрихованные участки соответствуют запрещенным значениям параметра a и, следовательно, энергии электрона в кристалле. Этот результат получен только на основании теоремы Блоха, условием применимости которой является единственное требование периодичности потенциала в стационарном уравнении Шредингера для электрона в кристалле. Таким образом, наличие периодического потенциала приводит к появлению для энергии электрона таких интервалов, для которых нет волнового решения, соответствующего вещественным значениям волнового числа электрона. Результатом этого является чередование разрешенных и запрещенных зон энергии для электрона в кристалле . На
рис. 2.6 приведено дисперсионное соотношение для энергии электрона в кристалле.
Видно, что зависимость E(k)
претерпевает разрывы в точках, где
Если параметр p = 0 , согласно равенству (2.14) и Последнее равенство соответствует дисперсионному соотношению для свободного электрона. На рис. 2.6 это дисперсионное соотношение изображено штриховой линией. Поскольку, как подчеркивалось выше, все физически различимые значения волнового числа лежат в пределах первой зоны Бриллюэна, которая в одномерном случае ограничена интервалом значений волнового числа от до , целесообразно перейти от представления расширенных зон Бриллюэна (рис. 2.6) к представлению приведенных зон Бриллюэна (рис. 2.7). Волновые функции, соответствующие вещественным k , могут быть построены только для заштрихованных областей энергии электрона. Эти области представляют собой разрешенные энергетические зоны, которые отделены друг от друга зонами (щелями) запрещенных энергий. Предел P ® ¥ дает дискретный ряд уровней
которые совпадают с полученными в первой главе результатами для частицы в одномерной прямоугольной потенциальной яме (см. уравнение (1.34)).Энергия электронов в периодическом поле кристалла претерпевает разрыв на границах зон Бриллюэна, для которых . Физическая природа разрывов связана с отражением электронных волн от атомных плоскостей кристаллической решетки. Действительно, с учетом того, что , условие, при котором происходит нарушение непрерывности функции E(k) , может быть записано в виде , что совпадает с условием Вульфа-Брэгга при угле падения волн 90 0 . 2.6. Заполнение энергетических зон электронами. Металлы, диэлектрики и полупроводники Твердые тела делятся на металлы, диэлектрики и полупроводники прежде всего по величине удельной электропроводности. Для типичных металлов эта величина составляет 10 8 ...10 6 (Ом м) -1 . В диэлектриках удельная электропроводность ничтожно мала: s < 10 -8 (Ом м) -1 . Для хороших диэлектриков удельная электропроводность достигает величины 10 -11 (Ом м) -1 . Твердые тела с промежуточной электропроводностью относят к полупроводникам. Оказывается, что столь большие различия в электрических свойствах твердых тел связаны со структурой и степенью заполнения электронами энергетических зон в этих телах. Несмотря на то, что энергетические зоны квазинепрерывны, они состоят пусть из очень большого, но конечного числа энергетических уровней. Число этих уровней определяется числом атомов N, объединенных в кристалл, и орбитальным квантовым числом l : (2.15) В каждой энергетической зоне могут располагаться в соответствии принципом Паули не более 2(2l + 1) электронов - по два с противоположными спинами на каждом уровне. Число электронов в кристалле также конечно и зависит как от числа атомов N , так и от количества электронов в атоме. Поскольку электроны стремятся занять энергетические уровни с наинизшей энергией, то в кристалле нижние энергетические зоны оказываются полностью заполненными, а самые верхние заполнены либо частично, либо совершенно свободны. Частично заполненная зона образуется, например, у кристалла натрия. Этот элемент имеет полностью заполненные 1s-, 2s- и 2p-уровни, на которых располагается в общей сложности 10 электронов. В кристалле Na соответствующие 1s-, 2s- и 2p-зоны также будут полностью заполнены. Одиннадцатый валентный электрон в атоме Na располагается на 3s-уровне, на котором могут располагаться 2 электрона. Следовательно, 3s-зона кристаллического натрия будет заполнена лишь наполовину. Зонная структура Na приведена на рис. 2.8,a. Заполненные электронами зоны и часть 3s-зоны заштрихованы. E g - ширина запрещенной зоны. Часто частично заполненная зона образуется в результате перекрытия полностью заполненной зоны со следующей совершенно свободной. Пример такой зонной структуры приведен на рис. 2.8,б для бериллия, у которого перекрываются заполненная 2s- и свободная 2p-зоны. Большую группу составляют кристаллы, у которых над целиком заполненным зонами располагаются совершенно пустые зоны, причем ширина запрещенной зоны варьируется у них от нескольких десятков электронвольт до единиц электронвольт. Типичные примеры этой группы кристаллов показаны на рис. 2.8, в, г. Это углерод в модификации алмаза и кремний. Структура энергетических зон кристалла оказывает решающее влияние на величину его электропроводности. Поскольку электрический ток есть направленное движение зарядов (в металлах - электронов), то возникновение электрического тока связано с увеличением импульса электронов вдоль направления действующей на него силы. Вместе с импульсом электрона меняется его волновой вектор. Поскольку энергия и волновой вектор электрона - две взаимосвязанные величины, связь между которыми определяется дисперсионным соотношением, то увеличение волнового числа должно обязательно сопровождаться увеличением энергии электрона. Нетрудно оценить, каково увеличение энергии электрона за счет его ускорения в электрическом поле, вызывающим электрический ток в проводниках. Если величина напряженности электрического поля равна 10 4 В/м, то на расстоянии, равном средней длине свободного пробега электрона в кристалле, а она обычно составляет ~10 -8 м, электрон приобретает энергию приблизительно 10 -4 эВ. Понятно, что эти значения энергии позволяют электрону переходить с уровня на уровень только внутри одной энергетической зоны. Для перехода между зонами необходима энергия больше ширины запрещенной зоны E g , которая, как указывалось выше, составляет 0.1 ... 10 эВ. Эти рассуждения приводят к выводу о том, что для появления у тел высокой проводимости необходимо, чтобы в их энергетическом спектре присутствовали зоны, заполненные частично. На свободные уровни этих зон могут переходить электроны, увеличившие свою энергию под действием внешнего электрического поля (рис. 2.9). Поэтому тела с частично заполненными энергетическими зонами являются проводниками . Частично заполненные зоны имеют все металлы . Теперь рассмотрим кристаллы, верхняя энергетическая зона которых заполнена электронами полностью (рис. 2.8, в, г). Внешнее электрическое поле не в состоянии изменить характер движения электронов, т. к. оно не в состоянии поднять электроны в вышележащую свободную зону. Внутри же самой полностью заполненной зоны, не содержащей ни одного свободного уровня, оно может вызывать лишь перестановку электронов местами, что не нарушает симметрии их распределения по скоростям. Это не приводит к возникновению электрического тока в таких кристаллах. Таким образом, твердые тела с полностью заполненными электронами энергетическими зонами являются непроводниками . По ширине запрещенной зоны непроводники делятся на диэлектрики и полупроводники . К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных диэлектриков E g > 3 эВ. Так, у алмаза E g = 5,2 эВ; у нитрида бора E g = 4,6 эВ; у Al 2 O 3 E g = 7 эВ. У типичных полупроводников ширина запрещенной зоны менее 3 эВ. Например, у германия E g = 0,66 эВ; у кремния E g = 1,12 эВ; у антимонида индия E g = 0,17 эВ. Верхняя заполненная зона полупроводников и диэлектриков называется валентной зоной , следующая за ней свободная зона называется зоной проводимости . В металлах частично заполненную зону называют как валентной зоной, так и зоной проводимости. 2.7. Эффективная масса электрона в кристалле и ее физический смысл Особенности движения электронов в кристалле обусловлены их взаимодействием с кристаллической решеткой. Оказывается, что движение отдельного электрона в кристалле можно описывать тем же уравнением, что и для свободной частицы, т.е. в виде второго закона Ньютона, в котором учитываются только внешние по отношению к кристаллу силы. Рассмотрим движение электрона в кристалле под действием внешнего электрического поля. Внешнее электрическое поле приводит к увеличению скорости электрона и, следовательно, его энергии. Поскольку электрон в кристалле - это микрочастица, описываемая волновой функцией, то энергия электрона зависит от его волнового вектора. Зависимость между этими двумя характеристиками электрона в кристалле определяется дисперсионным соотношением, которое в свою очередь зависит от строения энергетических зон. Поэтому при расчете движения электрона в кристалле необходимо исходить из закона дисперсии. Свободный электрон описывается монохроматической волной де Бройля и электрон в этом состоянии нигде не локализован. В кристалле же электрону необходимо сопоставить группу волн де Бройля с различными значениями частот w и волновых векторов k . Центр такой группы волн перемещается в пространстве с групповой скоростью
Эта групповая скорость соответствует скорости перемещения электрона в кристалле. Задачу о движении электрона будем решать для одномерного случая. Увеличение энергии электрона dE под действием внешней силы F равно элементарной работе dA , которую совершает внешняя сила за бесконечно малый промежуток времени dt : (2.16) Учитывая, что для электрона как микрочастицы , имеем следующее выражение для групповой скорости
Подставляя полученное выражение для групповой скорости в формулу (2.16), получим
Отсюда
Распространяя этот результат на трехмерный случай, получим векторное равенство (2.17) Как видно из этого равенства, величина ћ k для электрона в кристалле изменяется со временем под действием внешней силы точно так же, как импульс частицы в классической механике Несмотря на это, ћ k нельзя отождествить с импульсом электрона в кристалле, поскольку компоненты вектора k определены с точностью до постоянных слагаемых вида (здесь a - параметр кристаллической решетки, n i =1, 2, 3, ...). Однако в пределах первой зоны Бриллюэна ћ k обладает всемисвойствами импульса. По этой причине величину ћ k называют квазиимпульсом электрона в кристалле. Вычислим теперь ускорение a , приобретаемое электроном под действием внешней силы F . Ограничимся, как и в предыдущем случае, одномерной задачей. Тогда
При вычислении ускорения учтено, что энергия электрона является функцией времени . Учитывая, что , получим Сравнивая выражение (2.18) со вторым законом Ньютона, видим, что электрон в кристалле движется под действием внешней силы так, как двигался бы под действием той же силы свободный электрон, если бы он обладал массой Величину m * называют эффективной массой электрона в кристалле . Строго говоря, эффективная масса электрона никакого отношения к массе свободного электрона не имеет. Она является характеристикой системы электронов в кристалле в целом . Вводя понятие эффективной массы, мы реальному электрону в кристалле, связанному взаимодействиями с кристаллической решеткой и другими электронами, сопоставили некую новую свободную “микрочастицу”, обладающую лишь двумя физическими параметрами реального электрона - его зарядом и спином. Все остальные параметры - квазиимпульс, эффективная масса, кинетическая энергия и т.д. - определяются свойствами кристаллической решетки. Такую частицу часто называют квазиэлектроном, электроном-квазичастицей, носителем отрицательного заряда или носителем заряда n-типа , чтобы подчеркнуть ее отличие от реального электрона. Особенности эффективной массы электрона связаны с видом дисперсионного соотношения электрона в кристалле (рис.2.10). Для электронов, располагающихся у дна энергетической зоны, дисперсионное соотношение можно приблизительно описать параболическим законом Вторая
производная
Для электронов, находящихся у вершины энергетической зоны (рис.2.10), дисперсионное соотношение можно приблизительно описать параболой вида
и эффективная масса является величиной отрицательной. Такое поведение эффективной массы электрона объясняется тем, что он при своем движении в кристалле обладает не только кинетической энергией поступательного движения Е к , но и потенциальной энергией его взаимодействия с кристаллической решеткой U . Поэтому часть работы A внешней силы может перейти в кинетическую энергию и изменить ее на величину D E к , другая часть - в потенциальную D U :
Если при движении электрона в потенциальную энергию переходит не только вся работа внешней силы, но и часть кинетической энергии, имевшейся у электрона (D E к < 0 ), то его скорость будет уменьшаться. В этом случае электрон ведет себя как частица с отрицательной эффективной массой. В случае, когда вся работа внешней силы переходит в потенциальную энергию (D E к = 0 ), то приращения кинетической энергии и скорости не происходит. Электрон ведет себя как частица с бесконечно большой эффективной массой. Бесконечно большой эффективной массой обладает электрон в точках перегиба дисперсионной кривой, которые на рис. 2.10 обозначены штриховыми линиями. Схематически зависимость эффективной массы электрона от его волнового числа показана на рис. 2.11. 2.8. Собственные полупроводники. Понятие о дырках Из структуры энергетических зон полупроводников следует, что при абсолютном нуле они не проводят электрического тока. Нагревание их приводит к тому, что часть электронов валентной зоны приобретает энергию, достаточную для их перехода в зону проводимости, в результате чего появляется заметная электропроводность. С увеличением температуры число электронов в зоне проводимости увеличивается и вместе с этим растет электропроводность полупроводника. Тепловое возбуждение электронов проводимости иллюстрирует рис. 2.12. Е с и Е v обозначают дно зоны проводимости и потолок валентной зоны соответственно. Кроме температуры, возбуждение электронов проводимости может происходить и под действием других факторов, способных сообщить электронам энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости. Этими факторами могут быть световое облучение, ионизирующее излучение и др.
Рассмотренный выше механизм возникновения электропроводности полупроводниковых кристаллов, справедлив для абсолютно чистых материалов, не содержащих примесей, влияющих на электропроводность. Такие полупроводники называются собственными , а их электропроводность собственной электропроводностью . К собственным полупроводникам относятся кристаллы чистых химических элементов, таких как германий (Ge), кремний (Si), селен (Se), теллур (Te) и др., а также некоторые химические соединения: арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и многие другие. В разделе 2.8 показано, что электроны, расположенные у по-толка энергетической зоны, об-ладают отрицательной эффектив-ной массой. Именно такие электроны, расположенные у вершины валентной зоны, переходят в зону проводимости и участвуют в электропроводности полупроводника. Каждому электрону, перешедшему в зону проводимости, в валентной зоне соответствует незанятое (вакантное) состояние, которое называют дырочным состоянием . Дырочные состояния изображены на рис. 2.12 светлыми кружками. Наличие вакансий в валентной зоне позволяет электронам этой зоны изменять свое энергетическое состояние под действием внешнего электрического поля. Рассмотрим подробнее этот процесс на примере кристалла, в котором имеется одно вакантное состояние. В отсутствие электрического поля это состояние будет находиться в вершине зоны, т.к. электроны стремятся расположиться на уровнях с наименьшей энергией (рис. 2.13,а). Занятые электронами состояния изображены на рис. 2.13 точками и расположены на дисперсионной кривой, описывающей зависимость энергии электрона от компоненты волнового вектора k x . У вершины энергетической зоны эта кривая приблизительно описывается параболой. Если к полупроводнику приложить внешнее электрическое поле Е (пусть для определенности оно будет направлено вдоль положительного направления оси х , рис. 2.13,б) , то у каждого электрона х -компонента волнового вектора k x одновременно получит отрицательное приращение. Этот вывод следует из уравнения движения, одинакового для каждого электрона: Следовательно, электроны валентной зоны будут перемещаться в направлении, указанном стрелкой на рис. 2.13,б. Вакантное состояние в результате этого движения электронов вначале переместится в точку Е , а затем - в точку D и т.д. Таким образом, последовательное перемещение электронов по энергетическим уровням под влиянием электрического поля эквивалентно перемещению вакантного состояния. Квантовое состояние, не занятое электроном в энергетической зоне, называется дыркой . Суммарный волновой вектор электронов в полностью заполненной энергетической зоне равен нулю, поскольку дисперсионная кривая симметрична относительно точки k = 0 и каждому электрону с волновым вектором k всегда найдется электрон с противоположным по знаку волновым вектором - k . Если из состояния с волновым вектором k e удален электрон, то полный волновой вектор системы станет равным - k e . Таким образом, дырке следует приписать волновой вектор . (2.21) Учитывая (2.20) и (2.21), уравнение движения дырки будет иметь вид . (2.22) Это уравнение движения положительного заряда в электрическом поле. Поскольку дырка перемещается вдоль направления действующей на нее силы, то этой частице следует приписать положительную эффективную массу, равную по абсолютному значению отрицательной эффективной массе электрона, покинувшего вакантное состояние у потолка валентной зоны. Вычислим ток, создаваемый электронами полностью заполненной энергетической зоны. Вклад в плотность тока от одного электрона, движущегося со скоростью v j равен Ток всех электронов валентной зоны равен сумме токов отдельных электронов: Суммирование производится по всем состояниям, занятым электронами. Поскольку дисперсионные кривые симметричны, каждому электрону с ненулевым значением скорости в положительном направлении всегда найдется электрон с равной по абсолютному значению, но противоположно направленной скоростью. Следовательно, сила тока, создаваемого электронами полностью заполненной зоны, будет равна нулю. Если в валентной зоне заняты все состояния, кроме одного, характеризующегося волновым вектором k s и скоростью v s (рис. 2.13,г), то суммарную плотность тока в этом случае можно представить в следующем виде:
В этой формуле учтено, что первое слагаемое в силу симметричности состояний электронов равно нулю. Таким образом, движение электронов валентной зоны, в которой есть одно вакантное состояние, эквивалентно движению одной частицы с положительной эффективной массой и положительным электрическим зарядом, помещенной в это состояние. 2.9. Примесные полупроводники В реальных кристаллах полупроводников всегда присутствуют, пусть и в небольших количествах, дефекты, примеси, некоторые из которых оказывают существенное влияние на их электропроводность. Например, добавление в кремний бора в количестве одного атома на 10 5 атомов кремния увеличивает его электропроводность при комнатной температуре в 1000 раз. Полупроводники, содержащие примеси, существенно влияющие на его электропроводность, называются примесными полупроводниками , а их электропроводность - примесной электропроводностью . Рассмотрим
механизм примесной проводимости на
примере полупроводникового кристалла кремния с примесными атомами
фосфора. Четыре валентных электрона кремния образуют в химически чистом
кристалле парные ковалентные связи с четырьмя своими ближайшими соседями (рис.
2.14,а). Примесный атом фосфора
замещает один из атомов кремния в узле кристаллической решетки. У атома
фосфора пять валентных электронов, четыре из которых поддерживают связи с
соседними атомами кремния, а пятый остается свободным (рис. 2.14,б). Этот
избыточный электрон может перейти в
зону проводимости кремния и "участвовать" в создании электрического
тока. Примеси, поставляющие в зону
проводимости дополнительное количество электронов, называются донорными примесями
, а полупроводники с
такими примесями - донорными
полупроводниками
или полупроводниками
n-типа
. Наиболее распространенными донорными примесями в кристаллах кремния
и германия являются атомы пятой группы
периодической системы элементов
Д. И. Менделеева: фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb), висмут (Bi).
Энергию, которую необходимо затратить, чтобы перевести электрон примесного
донорного атома в зону проводимости, называют энергией связи донорной примеси.
Оценить энергию связи донорной
примеси можно из простой модели, подобной боровской модели атома водорода.
Согласно этой модели примесный электрон движется по круговой орбите в
кулоновском поле сил иона фосфора подобно электрону в поле ядра атома водорода.
Различие заключается в том, что поле примесного иона ослаблено диэлектрическими
свойствами кристалла полупроводника. Это влияние учитывается диэлектрической
проницаемостью среды, которая для типичных полупроводников составляет 5 ...
2000. Необходимо учесть также тот факт, что эффективная масса электрона в
кристалле отличается от массы свободного электрона. Для количественных оценок
воспользуемся результатами, полученными в теории Бора для атома водорода.
Энергия связи электрона в атоме водорода равна Энергия ионизации свободного атома водорода равна 13,6 эВ. В соответствии с формулой (2.23) это значение надо умножить на коэффициент , чтобы получить величину E d . В кремнии e = 11,7; m */m » 0,2. В результате получим E d » 0,02 эВ. Экспериментальное значение энергии ионизации фосфора в кремнии составляет 0,044 эВ. Другие донорные примеси имеют в кремнии и германии энергию ионизации того же порядка величины (см. таблицу). Таблица
С точки зрения зонной теории примесному атому фосфора соответствует локальный энергетический уровень, расположенный в запрещенной зоне кремния на величину E d ниже дна зоны проводимости (рис. 2.14, в). Поскольку эти уровни локализованы вблизи примесных атомов они на зонной диаграмме изображаются штриховыми линиями. По-иному ведут себя примесные атомы элементов третьей группы периодической системы элементов, такие как B, Al, Ga, In. Например, замещение в решетке кремния одного атома Si на атом бора приводит к тому, что одна из связей остается незаполненной. Эта связь может быть восстановлена, если атом бора “заберет” один электрон из валентной зоны кремния, образуя (рис. 2.15, а) в ней дырку. На зонной диаграмме это соответствует появлению локальных уровней примеси в запрещенной зоне кремния вблизи потолка валентной зоны. Этот уровень свободен, на него могут перейти электроны из валентной зоны кремния. Образовавшиеся в валентной зоне дырки являются носителями электрического тока в такого типа примесных полупроводниках. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводников, называют акцепторными примесями , а энергетичекие уровни этих примесей - акцепторными уровнями . Разность между энергией акцепторного уровня и энергией потолка зона проводимости E a называется энергией активации акцепторной примеси . Полупроводники, содержащие акцепторные примеси, называют акцепторными полупроводниками или полупроводниками р-типа . Часто их называют дырочными полупроводниками . Материалы по теме:
Подписаться на еженедельную рассылку eduction.ru
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, (2.2)
, (2.3)
. (2.4)
. (2.5)
. (2.6)
. (2.7)
. (2.8)
. (2.9)
.
(2.12)
.
, (2.14)
.
и т. д.
(2.18)
(2.19)
. (2.20)
.
. Учитывая диэлектрическую проницаемость полупроводника
e
. (2.23)