Реферат: Определение точного коэффициента электропроводности из точного решения кинетического уравнения

В.Кинетические Свойства

 

§ 6. Кинетическое уравнение

Носители заряда в металле или полупроводнике могутподвергаться действию внешних полей и градиентов температуры. Они такжеиспытывают рассеяние на примесях, колебаниях решетки и т. д. Эти эффекты должныбыть сбалансированы — нас интересуют такие ситуации, в которых электронускоряется полем, но при рассеянии теряет избыточные энергию и импульс. В этойглаве мы рассмотрим «обычные» кинетические свойства, наблюдаемые при наложениипостоянных полей.

Общий метод решения этой задачи основан на кинетическомуравнении, или уравнении Болъцмана. Мы рассматриваем функцию fk(r) — локальнуюконцентрацию носителей заряда в состоянии k в окрестности точки r.Строго говоря, эту величину можно определить только в терминах  мелкозернистыхраспределений, средних по ансамблю, матриц плотности и т. д. Имеется обширнаялитература по этому вопросу, но она относится скорее к формальному аппаратуквантовой статистической механики, чем к теории твердого тела.

Посмотрим теперь, какими способами функция fk(r)  может изменяться вовремени. Возможны процессы трех типов:

1. Носители заряда приходят в область пространствавблизи точки rи уходят из нее. Пусть vk — скорость носителя в состоянии k. Тогда в течение интервалавремени tносители заряда в этом состоянии пройдут путь tvk. Следовательно, наосновании теоремы Лиувилля об инвариантности фазового объема системы числоносителей в окрестности точки r в момент времени tравно числу их вокрестности точки r – tvkв момент времени 0:

fk(r, t)  = fk(r – tvk,0).                                                                            (35)

Это   означает,   что  скорость   изменения   функции распределения из-за диффузии есть

¶fk/¶t]diff = – vk׶fk/¶r = – vk×Ñfk.                                                                   (36)

2. Внешние поля вызывают изменение волновоговектора kкаждого носителя, согласно равенству

/>                                                                     (37)

Величину /> можнорассматривать как «скорость» носителя заряда в k-пространстве, так что поаналогии с равенством  (35)  имеем

/>                                                                       (38)

следовательно,   под действием полей функцияраспределения меняется со скоростью

/>                                         (39)

(мы использовали здесь обозначение ¶fk/¶k для градиента в k-пространстве — оператора  Ñk).

3. Влияние процессов рассеяния оказывается болеесложным. Мы ограничимся здесь в основном упругим рассеянием. При этом функция fk меняется со скоростью

¶fk/¶t]scatt = ∫{ fk' (1 – fk) – fk (l – fk')}Q(k, k')dk'.                                                  (40)

Процесс рассеяния из состояния k в состояние k' приводит к уменьшению fk. Вероятность этогопроцесса зависит от величины fk — числа носителей в состоянии k, и от разности (1 – fk') — числа свободных мест вконечном состоянии. Имеется также обратный процесс, переход из k' в k, который ведет кувеличению функции fk; он пропорционален величине fk'(1 – fk). Очевидно, надопросуммировать по всевозможным состояниям k'. Для каждой пары значенийk и k' существует, однако,«собственная» вероятность перехода Q(k, k'), равная скоростиперехода в случае, когда состояние k полностью заполнено, а состояние k' вакантно. Согласно принципу микроскопическойобратимости, та же функция дает и скорость перехода из k' в k, поэтому под интеграломпоявляется общий множитель.

Кинетическое уравнение выражает следующее: длялюбой точки r и для любого значения k полная скорость изменения функции fk(r) равна нулю, т. е.

¶fk/¶t]scatt + ¶fk/¶t]field + ¶fk/¶t]diff =0.                                                            (41)

Отметим, что здесь рассматривается стационарное, но необязательно равновесное состояние. Для последнего функция распределенияобозначается через f0k, оно осуществляется только в отсутствие полей иградиентов температуры.

Допустим, однако, что рассматриваемоестационарное распределениене слишком сильно отличается от равновесного.
Положим

gk = fk – f0k.                                                                            (42)


где

f0k = 1/{exp[(E<sub/>k – z)/kT] +1}                                                                     (43)

Здесь нужно проявить некоторую осторожность. Именно, какопределить функцию f0k в случае, когда температура зависит от координат?Будем считать, что в каждой точке можно корректно определить локальнуютемпературу T(r),и положим

gk(r)=fk(r)– f0k{3T(r)}.                                                     (44)

Если введение локальной температуры вызывает затруднения,можно потребовать, чтобы окончательное решение удовлетворяло какому-либодополнительному условию, например

ògk(r)dk = 0.                                                                                         (45)

 

Подставляя выражение (42) в кинетическое уравнение (41) ииспользуя равенства (7.2) и (7.5), получаем

– vk׶fk /¶r – e<sub/>/ħ(E +1/c[vk ´ H]) ׶fk /¶k = – ¶fk /¶t]scatt,                                            (46)

или

                                                                                                                                           
– vk׶fk<sub/>/¶T ÑT – e<sub/>/ħ(E + 1/c[vk ´ H]) ׶ f0k<sub/>/¶k = – ¶fk<sub/>/¶t]scatt + vk׶gk<sub/>/¶r + e<sub/>/ħ(E + 1/c[vk ´ H]) ׶gk<sub/>/¶k.          (47)

С помощью формулы (43) это уравнение можно переписать ввиде

(¶f0<sub/>/¶E)vk×{( E<sub/>(k) – z)<sub/>/<sub/>T×ÑT + e<sub/>(E – 1/e×Ñz)} = – ¶fk /¶t]scatt + vk׶gk /¶r + e<sub/>/ħc[vk ´ H] ׶gk /¶k.            (48)

Это — линеаризованное уравнение Больцмана. В немопущен член (E׶gk<sub/>/¶k) порядка E2, соответствующийотклонениям от закона Ома. Отброшен также член vk [vk ´ H], тождественно равный нулю; в левую часть уравнения магнитное поле явно не входит.

Подставляя выражение (40) в уравнение (48), можноубедиться, что мы получили линейноеинтегро-дифференциальное уравнениеотносительно «добавки» gk(r) к функции распределения. Функция gk(r)определяется интенсивностью электрического поля и величиной градиента температуры,входящими
в неоднородный член в левой части. Далее в этой главе мы будем отыскиватьрешения кинетического уравнения для различных случаев в порядке увеличениясложности.

§ 7. Электропроводность

Пусть на систему наложено только электрическоеполе E, и в «бесконечной» среде поддерживается постояннаятемпература. С учетом выражения (40) получаем

(– ¶f0<sub/>/¶E)vk×eE = – (¶f0<sub/>/¶t)]scatt = ò(fk– fk¢)Q(k,k¢)dk¢= ò(gk– gk¢)Q(k,k¢)dk¢                          (49)

Это есть простое интегральное уравнение длянеизвестной функции gk.

Вместо того чтобы, непосредственно решать его,сделаем феноменологическое предположение:

– ¶fk /¶t]scatt = gk/t                                                                                (50)

Тем самым мы вводим время релаксации t. При выключении поля любоеотклонение gk от равновесного распределения будет затухать по закону

– ¶gk /¶t = gk/t,                                                                                  (51)

или

gk(t) = gk(0)e– t / t.                                                                         (52)

Подставляя определение (50)  в  уравнение  (49),   находим

gk = (– ¶f0<sub/>/¶E) tvk×eE                                                                        (53)

Чтобы найтиэлектропроводность, вычислим соответствующую плотность тока

/>                       (54)

Здесь при переходе от первойстроки ко второй принято во внимание, что

òf0kevk(r)dk º 0,

использованытакже формулы для преобразования объемного интеграла в k-пространстве в интеграл поизоэнергетическим поверхностям и по энергии.

В металле функция (– ¶f0<sub/>/¶E) ведет себя как d-функция от (E – z), поэтому остается толькопроинтегрировать по поверхности Ферми. Таким образом,

/>                                                          (55)

Сравним это выражение с обычной макроскопическойформулой

J = s×E,                                                                                (56)


где s  – тензор. Получим

/>                                                            (57)

Обычно имеют дело скристаллами кубической симметрии, при этом тензорэлектропроводности сводится к скаляру, помноженному на единичный тензор. В случае, когдаоба вектора E и Jнаправлены по оси х, подынтегральное выражение в (55) есть

(vkvk × E) = v2xE,                                                                                 (58)


что дает 1/3вклада от квадрата скорости, v2E. Поэтому

/>                                      (59)

где мы ввели длину свободного пробега

L = tv.                                                                                                                                               (60)

Это есть основная формула для  электропроводности.

Интересно посмотреть (фиг. 97), как выглядитфункция распределения fk, заданная выражением (7.8). Как видно изравенства (53), функция gk велика только вблизи поверхности Ферми.

/>

Фиг.97. а – смещенная поверхность Ферми; б – смещенноераспределение Ферми.

Небольшая добавка появляется с той стороны, где vk×eE>0, т. е. там, где электроны ускоряются полем. Та же величинавычитается с противоположной стороны.

Фактически  по теореме Тейлора можно написать

/>                                     (61)

Это выглядит так, как будто вся сфера Фермисдвинулась в k-пpoстранстве на величину (et/ħ)E. Это несколько неверная интерпретация. Вдействительности поле не действует на состояния вблизи дна зоны, в глубинесферы Ферми. Из-за принципа Паули поле не может придать ускорения электронам втаких состояниях; по этой же причине они не рассеиваются примесью.

Отметим, однако, что электропроводность не зависитот температуры (если не считать возможнойтемпературной зависимости t). Эта же формула справедлива при T= 0, когда распределение Ферми имеет совершенно четкую границу.Можно сказать, что электропроводность выражается через смещение жесткойповерхности Ферми.

Заметим также, что выражение (61) можнопредставить в виде

fk= f0(Ek + etvkE),                                                               (62)

как будто к энергии электрона в состоянии k добавилась величина

dEk = etvkE.                                                                                    (63)

Это в точности соответствуетклассической ситуации, которая имела бы место, если бы электрон соскоростью vk двигался в поле E в течение интервалавремени t. Это замечание лежит в основе кинетическогометода решения подобных задач. Добавочнаяэнергия, приобретаемая в промежутках между столкновениями с примесями, соответствует наличию дрейфовойскорости dv внаправлении поля; именно

dv(¶E/¶v) = evEt,                                                                       (64)


или дляклассической частицы массы m

dv(¶E/¶v) = evEt /mv.                                                                       (65)

Пусть концентрация частиц есть n, тогда полная плотностьтока равна

J = nedv,                                                                                    (66)

и, сравнивая формулы (65),(66) и (56), находим

s = ne2t/m.                                                                          (7.33)

Легко показать, что в случае свободногоэлектронного газа формулы (67) и (59) эквивалентны; в металле последняя формулапринципиально значительно лучше. Она показывает, что электропроводность зависит только от свойств электронов на уровнеФерми, а не от полной концентрации их. Большую электропроводность металловследует объяснять скорее наличием небольшой группы очень быстрых электронов навершине распределения Ферми, а не высоким значением полной концентрациисвободных электронов, которым можно придать небольшую дрейфовую скорость.

Основная формула (59) показывает также, чтопроисходит, когда площадь свободной поверхности Ферми уменьшается в результатевзаимодействия с границами зоны, и учитывает влияние решетки,ограничивающее эффективную скорость электронов на поверхностиФерми. Такие эффекты действительно можно наблюдать в металлахтипа Bi.

С другой стороны, формулакинетической теории (67) удобна для полупроводников. При этом под п следуетпонимать концентрацию свободных носителей заряда. Обычно пишут

s = n|е|m                                                           (68)


где

m = |e|t/m                                                                             (69)

есть подвижность носителей.В более общем случае считают, что электроны и дырки вносят независимые вклады в полный ток и определяют их подвижности равенством

s = nh |е| mh + ne |е| me .                                                                (70)

Нетрудно вывести формулу(68), скажем, из (54), принимая в качестве f° классическую функцию распределения. При этом мы допускаем,что время релаксации t может зависеть от энергии; в формулу (69) надоподставить его среднее значение

/>                                                         (71)

где N(E) естьплотность состояний в рассматриваемой зоне. Таким образом,

          me= |e|te /me                                                                        (7.38)

где те — эффективная массаэлектронов. Аналогичная формула справедлива и для дырок. Из этих формул видно,что подвижность может зависеть оттемпературы. С ростом Tраспределение размазывается и среднее время релаксацииизменяется. Вслучае металла то обстоятельство, что т зависит от энергии, не играет большойроли, ибо существенно только значение t(EF).

еще рефераты
Еще работы по физике