Квазиимпульс и эффективная масса носителей заряда. Эффективная масса Электроны в периодическом поле кристалла

Рассмотрим 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.

F (закон Ньютона), но с Э. м. m*, отличной от массы m свободного эл-на. Это отличие отражает вз-ствие эл-на проводимости с решёткой. В простейшем случае Э. м. определяется соотношением:

Понятие Э. м. обобщают для др. типов возбуждений (фононов, фотонов, экситонов и др.). Если зависимость?(р) (дисперсии закон) анизотропна, то Э. м. представляет собой (тензор обратных эфф. масс)

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА

Величина, имеющая размерность массы и характеризующая динамич. свойства квазичастиц. Напр., движение электрона проводимости в кристалле под действием внеш. силы F и сил со стороны кристаллич. решётки в ряде случаев может быть описано как движение свободного электрона, на к-рый действует только сила F (закон Ньютона), но с Э. м. т, отличной от массы т 0 свободного электрона. Это отличие отражает электрона проводимости с решёткой (см. Твёрдое тело, Зонная теория, Квазиклассическое ).

В простейшем случае изотропной зависимости энергии электрона от его квазиимпульса р Э. м.- скалярная величина, определяемая соотношением

Если зависимость ( р ) (дисперсии закон )анизотропна, то Э. м. представляет собой тензор. Компоненты тензора обратных Э. м.

Это означает, что ускорение электрона в кристаллич. решётке в общем случае направлено не параллельно внеш. силе F . Оно может быть направлено даже антипараллельно F , что соответствует отрицат. значению Э. м. Для электронов с отрицат. Э. м. оказалось удобным ввести в рассмотрение положительно заряженные квазичастицы- дырки с положительной Э. м.

При изучении гальваномагнитных явлений пользуются т. н. циклотронной Э. м. электронов и дырок:

где S- площадь сечения изоэнергетич. поверхности ( р ) = const плоскостью, перпендикулярной магн. полю Н.

Наиб. важные методы определения Э. м. электронов проводимости и дырок в металлах и полупроводниках - циклотронный , измерение электронной теплоёмкости и др.

Из-за электрон-фононного взаимодействия Э. м. электронов, движущихся в ионов кристаллич. решётки, перенормируется, причём макс. перенормировку претерпевает Э. м. электронов на (и вблизи) фермы-поверхности; у электронов с энергией (w D -дебаевская частота) Э. м. практически не перенормируется. Благодаря этому в ф-лы, описывающие термодинамич. и кинетич. свойства металлов при низких темп-pax (kT<< ), входит перенормированная Э. м., а в ф-лы, описывающие свойства металла при kT>> , а также оптич. свойства для частот w>>w D ,- неперенормированная Э. м.

Понятие Э. м. обобщают для др. типов квазичастиц ( фононов, фотонов, экситонов и др.). В теории квантовой жидкости для квазичастиц - фермионов с изотропным законом дисперсии Э. м. наз. отношение m=p 0 / u 0 , где р 0 и u 0 - абс. значения импульса и скорости квазичастиц при абс. нуле темп-ры, соответствующие ферми-энергии. Э. м. атома жидкого 3 Не равна 3,08 m 0 , где т 0 - масса свободного атома 3 Не (см. Гелий жидкий).

Лит. см. при ст. Квазичастица. М. И. Каганов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА" в других словарях:

Эффективная масса - произведение эффективной длины образца на площадь его поперечного сечения и плотность материала. Источник: ГОСТ 12119.0 98: Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

эффективная масса - носителя заряда; эффективная масса Величина, имеющая размерность массы и характеризующая движение носителя заряда в полупроводнике под действием электромагнитного поля, так же как масса свободного электрона, характеризует его движение … Политехнический терминологический толковый словарь

Величина, имеющая размерность массы, характеризующая динамические свойства квазичастиц. Напр., движение электронов проводимости в кристалле под действием внешней силы может быть описано как движение свободного электрона, но с эффективной массой,… … Большой Энциклопедический словарь

В физике твёрдого тела, эффективной массой частицы называется динамическая масса, которая появляется при движении частицы в периодическом потенциале кристалла. Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так … Википедия

Величина, имеющая размерность массы, характеризующая динамические свойства квазичастиц. Например, движение электронов проводимости в кристалле под действием внешней силы может быть описано как движение свободного электрона, но с эффективной… … Энциклопедический словарь

эффективная масса - efektyvioji masė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. effective mass vok. effektive Masse, f; wirksame Masse, f rus. эффективная масса, f pranc. masse effective, f … Fizikos terminų žodynas

Величина, имеющая размерность массы, характеризующая динамические свойства квазичастиц (См. Квазичастицы). Например, движение электрона проводимости (См. Электрон проводимости) в кристалле под действием внешней силы F и сил со стороны… … Большая советская энциклопедия

Носителей тока хар ка электронов проводимости и дырок в зонной теории твёрдого тела, используемая для описания действия на них внеш. электромагнитного поля. На носители тока, помимо внеш. поля, действует также внутр. периодич. поле кристалла.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Величина, имеющая размерность массы, характеризующая динамич. свойства квазичастиц. Напр., движение электронов проводимости в кристалле под действием внеш. силы может быть описано как движение свободного электрона, но с Э. м., отличной от массы… … Естествознание. Энциклопедический словарь

эффективная масса носителя заряда полупроводника - эффективная масса носителя заряда Величина, имеющая размерность массы и характеризующая движение носителя заряда в полупроводнике под действием внешнего электромагнитного поля. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые Синонимы… … Справочник технического переводчика

Книги

• Как привести дела в порядок. Искусство продуктивности без стресса , Аллен Дэвид. О книге О том, как стать хозяином своей жизни - по крайней мере на работе. Эта методика - результат двадцатилетней работы автора. Среди российских менеджеров она стала мегапопулярной еще до…

). Эффективная масса электрона в кристалле, вообще говоря, отлична от массы электрона в вакууме.

Энциклопедичный YouTube

1 / 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?

Субтитры

Сегодня 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!

Определение

Эффективная 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 полупроводников

В нижеприведённой таблице указана эффективная масса электронов и дырок для полупроводников - простых веществ IV группы и бинарных соединений

В физике твёрдого тела, эффективной массой частицы называется динамическая масса, которая появляется при движении частицы в периодическом потенциале кристалла. Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы покоя электрона me (9.11×10−31 кг). Она отлична от массы покоя электрона. Эффективная масса определяется из аналогии со вторым законом Ньютона помощью квантовой механики можно показать, что для электрона во внешнем электрическом полеE: де a - ускорение, - постоянная Планка, k - волновой вектор, который определяется из импульса как k =, ε(k) - закон дисперсии, который связывает энергию с волновым вектором k. В присутствии электрического поля на электрон действует сила, где заряд обозначен q. Отсюда можно получить выражение для эффективной массы m * :

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 только в экстремумах кривой закона дисперсии, там где можно аппроксимировать параболой можно использовать понятие массы. 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 Где- волновой вектор,- символ Кронекера,- постоянная Планка. Электрон. Электро́н - стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Является фермионом (т.е. имеет полуцелый спин). Относится к лептонам (единственная стабильная частица среди заряженных лептонов). Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет почти все химические свойства веществ. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме. Электрон как квазичастица. Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором. Свойства Заряд электрона неделим и равен −1,602176487(40)×10−19 Клкг - масса электрона.Кл - заряд электрона.Кл/кг - удельный заряд электрона.спин электрона в единицахСогласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10−17 см). Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц - его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен 1/2, и, таким образом, электрон относится к фермионам. Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака). В этом случае отрицательно заряженный электрон называют негатроном, положительно заряженный - позитроном. Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона. Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его (см. эффект Комптона). Дырка. Ды́рка - квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду в полупроводниках. Определение по ГОСТ 22622-77: Незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона. Понятие дырки вводится в зонной теории для описания электронных явлений в не полностью заполненной электронами валентной зоне. В электронном спектре валентной зоны часто возникает несколько зон, различающихся величиной эффективной массы и энергетическим положением (зоны легких и тяжёлых дырок, зона спин-орбитально отщепленных дырок).

Понятие эффективной массы электрона является лишь удобным способом описания движения электрона, находящегося в периодическом поле кристалла, под действием внешнего электрического поля. Сама же эффективная масса не является массой в обычном смысле этого слова. Она не определяет ни запаса энергии, ни инерционных, ни гравитационных свойств электрона. По величине она может быть как больше, так и меньше истинной массы электрона. Более того, m * может быть как положительной, так и отрицательной. Эффективная масса является лишь коэффициентом пропорциональности в соотношении (5. 15), связывающем внешнюю силу с ускорением движения электрона. Она имеет смысл лишь до тех пор, пока энергия электрона ε может быть выражена как квадратичная функция волнового числа. В этом случае m * сохраняется постоянной. Из рис. 5. 7 видно, что это имеет место при k , отвечающем дну и вершине энергетической зоны. В первом случае m * 7 видно, что это имеет место при k , отвечающем дну и вершине энергетической зоны. >0, во втором m * <0. Вблизи же точек перегиба m * перестает быть аналогом массы. К счастью, практически всегда приходится иметь дело с электронами, располагающимися или дна зоны или у ее вершины. К этим электронам вполне применимо понятие эффективной массы, чем и оправдывается введение этого понятия.

Характерной особенностью эффективной массы в кристалле является то, что ее величина зависит не только от состояния электрона (положения в энергетической зоне), но и от направления движения электрона. Зависимость эффективной массы от направления движения электрона объясняется анизотропией кристалла: при движении электрона силы взаимодействия его с кристаллической решеткой различны в различных кристаллографических направлениях. Причем в твердом теле с сильно анизотропной кристаллической структурой m * может быть положительной для одних направлений и отрицательной для других.

Понятие о дырках

Предположим, что данная энергетическая зона целиком заполнена электронами (рис. 5.8 а). Электроны, располагающиеся на верхних уровнях зоны, обладают отрицательной эффективной массой (ускоряются в направлении, противоположном действию внешней силы) и отрицательным зарядом - е. Удалим с одного из таких уровней электрон (5.8,б ). Так как зона была целиком заполнена отрицательно заряженными электронами, то освобожденный уровень, не укомплектованный электроном, будет вести себя как частица, обладающая положительным зарядом, численно равным заряду электрона + е. Кроме того, так как электроны верхних уровней зоны обладают отрицательной эффективной массой, то освобожденный уровень будет вести себя как частица, обладающая положительной эффективной массой, численно равной эффективной массе электрона, занимающего этот уровень. Таким образом, освобождение одного из верхних уровней занятой энергетической зоны эквивалентно появлению в ней частицы, обладающей положительным зарядом и положительной эффективной массой. Такую фиктивную частицу называют дыркой.

Дырки играют исключительно важную роль в определении электрических свойств твердых тел. В телах, имеющих почти целиком заполненные энергетические зоны, электрический ток возникает в результате направленного движения дырок. Такой дырочной проводимостью обладает, в частности, ряд металлов. Но особенно большое значение дырочный механизм проводимости имеет в полупроводниках.

Заполнение зон электронами

Каждая энергетическая зона содержит, как мы выяснили, ограниченное число энергетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом таком уровне может разместиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами. При ограниченном числе электронов, содержащихся в твердом теле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон.

Рассмотрим более подробно процесс заполнения зон электронами, когда эти зоны не перекрываются. Зависимость энергии электрона от волнового числа для этого случая изображена на рис. 5. 6. При небольших значениях k (вблизи начала координат) кривая ε (k ) представляет собою параболу :

Вследствие этого электроны, заполняющие энергетические уровни, располагающиеся у дна зоны, ведут себя как свободные электроны с эффективной массой m *. Поэтому их распределение по энергиям, как и распределение свободных электронов, подчиняется статистике Ферми - Дирака. Именно число электронов в единице объема твердого тела d п, энергия которых заключена в пределах от ε до ε + d ε равно

(5.18)

где– функция Ферми –Дирака, µ - химический потенциал, отнесенный к одной частице,k Б – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

Подробнее функция распределения Ферми –Дирака будет обсуждаться позже. Пока лишь отметим, что в системе электронов металла при абсолютном нуле он совпадает с уровнем Ферми (µ = ε F ). Но неверно считать уровень химического потенциала уровнем Ферми во всех остальных случаях. Уровнем Ферми называют реальное одноэлектронное состояние, которым заканчивается заполнение энергетических состояний при абсолютном нуле. В чистом полупроводнике уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны. А химический потенциал при малых температурах лежит вблизи центра запрещенных энергий между валентной зоной и зоной проводимости.

При абсолютном нуле для состояний с ε < µ f (ε ) = 1 и

(5.19)

На рис. 5.9 представлена кривая зависимости числа электронов в зоне от энергии ε . Участок О d этой кривой отвечает формуле (5.19) и соответствует распределению по энергиям свободных электронов с эффективной массой т*.

По мере заполнения зоны квадратичная зависимость энергии электронов от волнового числа, характерная для свободных электронов, выполняется все хуже и хуже (рис.5.6), и кривая зависимости п от ε отходит от параболы, выраженной уравнением (5. 19).